CRITERIA FOR OPTIMIZING STRUCTURAL SAFETY THROUGH THE PRINCIPLES OF ENVIRONMENTAL COMPATIBILITY Concetta Cusano1 PhD Architect, Department of Architecture and Industrial Design, University of Campania “Luigi Vanvitelli”, Aversa, Italy, concetta.cusano@unicampania.it Claudia Cennamo Professor, Department of Architecture and Industrial Design, University of Campania “Luigi Vanvitelli”, Aversa, Italy, claudia.cennamo@unicampania.it ABSTRACT In recent years, the debate on environmental issues has also extended to constructive principles, evolving into the discussion on the quality of the built environment. It is the opinion of the author that the development of sustainability criteria, drawn up by experts in the field, in the majority of cases can also be functional to the optimization of the basic parameters concerning structural safety. This work examines some of the "natural" methods for increasing structural efficiency, taken from case studies of antiquity. In fact, focusing observations only on the field of seismic activity, it is well known that passive isolation for existing buildings appears to be utopian, too laborious and expensive, as well as having an enormous environmental impact. But the study of certain architectural typologies of antiquity suggests a solution, i.e. an antiseismic strategy, realized in an intuitive way, through simple devices such as the geometry of the plan, the proportions of the sections and constraints, the distribution of the openings, etc., which do not impose themselves with respect to the architectural and functional harmonies, but which nevertheless perform the task for which they are designed. “Unusual" anti-seismic solutions, coming from the constructive experience of different countries, with constructive methods and traditions that would seem to have nothing similar to each other, but joined by the common denominator of not being regulated, apparently unaware of phenomena such as hysteresis, dissipation, isolation, and born from a "popular" culture, born from the observation of nature, or from the experience handed down. From the examination of the past, it is hoped that the seed of a new philosophy of intervention for safety can emerge: the use of simple and "ancient" ideas, alternatives, translated into modern technology, methods that cannot be generalized, to be developed each time for each individual case. Keywords: sustainability, anti-seismic criteria, structural compatibility, seismic safety. 1 Corresponding author TIRANA AL INTERNATIONAL FORUM ON ARCHITECTURE AND URBANISM ARCHETIPI DI STRATEGIE ANTISISMICHE NELL’ANTICHITÀ: ISOLAMENTO, DISSIPAZIONE E DUTTILITÀ Sin dai tempi più remoti, il problema di attenuare la risposta delle strutture soggette a carichi dinamici appare uno dei temi sostanziali del costruire (Cennamo et al., 2018(a); Cennamo et al., 2018(c); Cennamo et al., 2017); in particolare, archetipi d’isolamento sismico, dissipazione e duttilità sono stati utilizzati già per alcuni templi greci e costruzioni arabe. Si descrivono di seguito alcune realizzazioni di strategie antisismiche in costruzioni antiche, inquadrabili nelle tre categorie generali dell'isolamento alla base, della dissipazione isteretica e della deformabilità duttile. Gli esempi riportati, ascrivibili a culture e tradizioni anche molto distanti tra loro, mostrano la sensibilità e l'intuizione degli antichi costruttori, che pur in assenza di teorie definite e tecnologie di mercato, furono in grado di fornire alle proprie realizzazioni notevoli capacità di resistenza nei confronti dei terremoti (Carpani 2003, Carpani 2005). L’ISOLAMENTO Soluzioni antisismiche, di notevole efficacia ed interesse, si ritrovano in molte tipologie architettoniche dell’Alhambra nella città di Granada in Spagna, concentrazione di opere affascinanti (quali la fortezza, le torri, le muraglie, i palazzi, i giardini) e sodalizio tra l’arte musulmana, delicata e fragile, e l’arte cristiana, robusta e strabordante di equilibrio rinascimentale. In particolare, uno studio condotto sulla capacità sismo-resistente del colonnato del Patio de Los Leones (costruito nel periodo dal 1354 al 1391) dimostra che le sottili piastre di piombo inserite negli elementi verticali degli edifici dagli architetti nasrīdi, apportano un’effettiva riduzione della risposta all’azione sismica strutturale, oltre ad agevolare la ripartizione dei carichi verticali. Le piastre, nonostante l'esiguo spessore di 2 mm, consentono in generale una maggior flessibilità e diminuiscono la tensione nelle zone limitrofe grazie al superamento del limite elastico. Nei secoli passati si sono verificati nella città di Granada e nelle zone limitrofe terremoti d’intensità molto superiore, in particolare un terremoto distruttivo d’intensità 9-10 della scala Mercalli, tra l’aprile ed il luglio del 1431. Il colonnato ha superato egregiamente tutte le sollecitazioni. Oggi, a più di 750 anni di distanza dalla costruzione dell’Alhambra, l’utilizzo di elementi di piombo nell’isolamento sismico di strutture è ancora attuale, in particolare per quanto concerne la progettazione di isolatori. infatti, gli isolatori antisismici che utilizzano le proprietà tenso-deformative del piombo sono i cosiddetti LRB-Laminated rubber bearings, in cui l’utilizzo di gomma a basso smorzamento fa sì che le deformazioni massime siano raramente superiori al 200% e dove la presenza del nucleo cilindrico di piombo migliora notevolmente le capacità dissipative dell’energia sismica. L’elemento di piombo è a stretto contatto con le lamine d’acciaio che lo forzano a deformarsi a taglio, dissipando energia. Il piombo non ha solo una funzione dissipativa ma, in virtù del comportamento elasto-plastico, conferisce una rigidezza aggiuntiva all’isolatore. Tale comportamento può essere utilizzato per accrescere la soglia di attivazione degli isolatori, che così possono migliorare le prestazioni del sistema nei confronti delle azioni di servizio (vento, sismi di bassa intensità, vibrazioni ambientali). LA DISSIPAZIONE Intorno al 3000 a.C., le popolazioni dell'Asia minore costruivano edifici di tipo pluricellulare, formati da più pareti i cui muri erano, di solito, costituiti da blocchi di pietra calcarea disposti TIRANA AL INTERNATIONAL FORUM ON ARCHITECTURE AND URBANISM ordinatamente e collegati internamente da spinotti in legno, che conferivano alla tessitura una certa capacità dissipativa in caso di oscillazioni orizzontali. Il sistema dei blocchi squadrati perimetrati da intelaiature in legno (opus craticium), nei secoli successivi si sviluppò e trovò numerose applicazioni in campo antisismico: con la denominazione di muro baraccato si indica oggi un apparato di tipo misto, costituito da una intelaiatura in legno (generalmente a maglie rettangolari con pali e correnti, ma dotata anche di diagonali nelle zone sismiche), i cui riquadri sono riempiti con piccole pietre e malta. Il legno, utilizzato come “armatura” all’interno del sistema strutturale, garantisce una certa elasticità per resistere alle sollecitazioni, anche se il contributo fondamentale in ottica antisismica è rappresentato dalla capacità di dissipazione isteretica realizzata dall'attrito generato dai movimenti relativi legno-pietra in occasione delle oscillazioni sismiche. In Italia la tecnica costruttiva delle case baraccate fu adottata in pieno a seguito del sisma del 1783 durante il quale gran parte degli edifici costruiti nella regione, e costituiti da pietrame sbozzato o blocchi di conglomerato povero, crollarono rovinosamente. Tali strutture vennero successivamente denominate “case alla Calabrese” o anche “alla Beneventana”, per la diffusione in zone ritenute ad alto rischio sismico. Le tipologie strutturali di intelaiatura lignea per il sistema baraccato si possono ridurre essenzialmente a tre, a seconda della rilevanza statica da attribuire allo spessore murario: la prima, semplice, costituita da ritti e traversi, una seconda composta da ritti, traversi ed uno o due elementi controventati, ed una terza, successiva, caratterizzata da due elementi controventati per ogni campitura. LA DUTTILITÀ Archetipi di deformabilità e duttilità, possono considerarsi i templi lignei giapponesi. Le strutture portanti delle classiche pagode giapponesi sono realizzate interamente in legno e presentano una forma scalata ad ali dovuta alle travi a sbalzo che sostengono le grondaie di bordo; tale forma ha un funzionamento statico particolare. Il tronco centrale - shinbashira passante lungo tutta l’altezza dalla costruzione, ricopre il doppio ruolo di principio mistico nel credo Buddista e di elemento antisismico all’interno della costruzione: sospeso all’ultimo dei piani come un grande pendolo stazionario con la base annegata nel terreno, non interagisce con esso (non trasmette reazioni vincolari) se non costituendo una massa in controfase efficace. L’effetto osservato su tali costruzioni durante un evento sismico o durante un tifone è quello di una oscillazione a “danza di serpente” del tronco centrale, cui si deve gran parte del merito dell’attenuazione degli effetti dinamici e dell’assorbimento di energia. L'antico shinbashira di legno ha ispirato l'installazione di pilastri flessibili riempiti di liquido ammortizzante nella moderna concezione di strutture antisismiche. LE ARCHITETTURE RURALI NELL’ENTROTERRA VESUVIANO L’area Vesuviana comprende, oltre ai siti archeologici di Pompei ed Ercolano e alle splendide ville settecentesche situate sulla strada “regia” che da Napoli conduce ai centri costieri, alcuni elementi di architettura rurale, già in passato oggetto di studio da parte di diversi autori (Cennamo 2006). Infatti, l’entroterra dell’area Vesuviana, una realtà fortemente a rischio e notevolmente degradata, a differenza della parte costiera, è stata interessata dall’edificazione delle Masserie. Le masserie vesuviane che sorgono fin dall’inizio del XV sec. alle pendici del Vesuvio, di difficile ubicazione sia territoriale che sociale, offrono un panorama tipologico vasto. Si tratta di insediamenti agricoli sul doppio versante, cioè quello TIRANA AL INTERNATIONAL FORUM ON ARCHITECTURE AND URBANISM Sommese, che il Monte Somma protegge dalla furia eruttiva del Vesuvio, e quelle ubicate sul versante opposto che, proprio per la loro localizzazione, presentano caratteristiche costruttive spesso occasionali non scaturite da alcun progetto organico. Data la loro particolare ubicazione, non si può parlare delle masserie senza correlare la tematica al rischio vulcanico e sismico. Sembrerebbe che tale pericolo fosse ignorato dagli antichi costruttori ma, in realtà, da un’analisi minuziosa emerge che l’incombere del pericolo abbia condizionato molto l’architettura rurale. La presenza sul territorio delle Masserie, che risalgono al XVIII e XIX secolo dimostra che, risparmiate dalla lava probabilmente per caso, esse hanno invece resistito certamente per ingegno ai frequenti terremoti generati dal vulcano. Differenti concezioni antisismiche vengono fuori analizzando le masserie: l’una basata sull’espediente e sulla cultura popolare, e l’altra basata su primissimi concetti di controllo sismico che si possono ritrovare già in molte strutture del passato (Cennamo, et al 2009). LE STRATEGIE ANTISISMICHE NELLE MASSERIE VESUVIANE Occorre preliminarmente accennare ad una fondamentale divisione esistente tra gli edifici rurali del versante litoraneo (area vesuviana propriamente detta) e quelli del versante interno, realizzati alle pendici del Monte Somma ovvero nell’ampia piana antistante (area sommese). La concomitanza di molti fattori ha infatti concorso a creare una sostanziale differenziazione tra le dimore rurali vesuviane e quelle del versante sommese. Le prime sono sopravvissute in numero piuttosto limitato soprattutto a causa delle cicliche e devastanti colate laviche originatesi dal vulcano che, invece, non investivano il versante opposto per la naturale difesa costituita dal crinale del Monte Somma. Nel versante sommese, la maggiore disponibilità di terreni pianeggianti e la concomitante presenza di una vasta vegetazione arborea, hanno favorito, a differenza di quanto è accaduto nell’area vesuviana, la realizzazione di grandi costruzioni, con ampia corte centrale di forma quadrata o rettangolare, solai piani di legno, muratura in tufo e tetti a doppia falda di legno e tegole. Nella presente trattazione, però, si analizzeranno nello specifico solo i caratteri delle masserie dell’area vesuviana per le quali, grazie agli edifici superstiti, è stato possibile ricostruirne le peculiarità. Figura 1: a) Individuazione delle masserie vesuviane internamente alla zona rossa. b) Vista aerea della densità abitativa alle pendici del Vesuvio TIRANA AL INTERNATIONAL FORUM ON ARCHITECTURE AND URBANISM Le Masserie che sorgono sul versante Vesuviano, nonostante la discussa apparenza occasionale, sembrerebbero basarsi su vere e proprie “intuizioni” strutturali antisismiche, distanti dal semplice “espediente” (Cennamo, 2004). La maggior parte delle Masserie Vesuviane sono di origine contadina e, nonostante non si possa parlare di vero e proprio insediamento programmato (benché la nascita delle singole costruzioni rispecchi uno schema di inserimento non del tutto casuale), alcuni accorgimenti nelle tecniche costruttive che si evidenziano nelle differenti strutture in maniera ricorrente, sono stati approfonditi sia per contrastare l’attuale politica di abbandono sia per comprendere i segreti di tanta resistenza ai terremoti e di tanta longevità (Cennamo, et al 2009). Anzitutto, tali masserie presentano caratteri specifici comuni: la costruzione secondo una tipologia prevalentemente lineare senza corte interna, a causa della natura accidentata ed acclive dei terreni; l'utilizzo delle volte per le coperture, a seguito soprattutto (ma non solo) della carenza di vegetazione arborea da cui ottenere travi per solai e capriate; l'utilizzo di pietra lavica compatta per la costruzione dei muri perimetrali, sostituita da pietra lavica più porosa e leggera (schiuma di lava) per gli archi e le volte, in modo da ridurre le spinte trasversali sui muri e prolungare la durata dei fabbricati. Figura 2: a) Masseria Massa, Boscoreale. Veduta fotografica del corpo principale, sezioni, prospetto cappella. b) Masseria Di Lauro, Boscoreale. Veduta fotografica laterale, Pianta piano terra c) Masseria Rosa, Boscoreale. Veduta fotografica generale, Pianta piano terra, Sezioni (Cennamo 2006) Figura 3: a) Masseria Carotenuto, Boscoreale. Veduta fotografica dell’ingresso principale, Pianta, Sezione longitudinale. b) Masseria Orefice, Boscoreale. Veduta fotografica lato ingresso, Pianta piano terra, Sezione trasversale. c) Masseria Pennino, Boscoreale. Veduta fotografica generale, Pianta piano terra, Sezione longitudinale (Cennamo 2006). TIRANA AL INTERNATIONAL FORUM ON ARCHITECTURE AND URBANISM In seguito ad analisi più dettagliate condotte sulle masserie vesuviane, emergono anche alcuni “espedienti antisismici” utilizzati, naturalmente, correlando il discorso all’epoca ed alla cultura locale: - Simmetria d’impianto o regolarità geometrica degli elementi strutturali. Si nota, infatti, che la maggior parte delle masserie esaminate sono edifici bassi e tozzi, a pianta principalmente simmetrica, testimonianza di una corretta interpretazione della concezione antisismica. Laddove è impossibile rispettare la simmetria d’impianto, per i continui sviluppi costruttivi a cui si è accennato precedentemente, è visibile comunque l’attenzione e la propensione verso tale geometria. - Cura per le ammorsature d’angolo e connessioni tra le pietre che rivela un grado di consapevolezza che va oltre la semplice regola d’arte. - Dimensione e distribuzione delle aperture. Le aperture, oltre ad essere di dimensioni sempre estremamente contenute, difficilmente sono disposte in maniera asimmetrica rispetto alla duale sul lato opposto dell’edificio o non in linea con quella del piano superiore. - Tessitura del solaio ortogonale alla facciata. Si fa riferimento a particolari accorgimenti tesi ad evitare che una porzione di parete compresa tra due finestre risulti poco trattenuta e ribalti verso l’esterno. - Attenzione ai parapetti delle finestre. L’attenzione a questi punti deboli nei quali si concentrano le lesioni dovute agli assestamenti fondali, indicano una conoscenza quanto meno intuitiva del quadro fessurativo e dei meccanismi di collasso delle pareti. - Locali voltati. La presenza quasi costante di locali voltati, invece, dove sarebbe stato più semplice, nell’economia della concezione rurale, ideare coperture piane, economicamente meno dispendiose, fruibili con materiali più leggeri, disponibili in seguito a modifiche, probabilmente non deriva soltanto, come si è detto, dalla carenza di vegetazione che comunque cresceva rigogliosa a non troppa distanza, ma piuttosto da una antica cultura che trae le sue origini addirittura da Plinio Caio Secondo. Infatti, forse non era andata persa del tutto, nei secoli, l’idea di Plinio che, nella sua Historia Naturalis del I sec. d. C., (Plinio il Vecchio) afferma che gli edifici in pietra e voltati sarebbero più sicuri contro i terremoti, basando le proprie affermazioni sulle poche notizie disponibili all’epoca, laddove si trattava probabilmente soltanto di costruzioni con una fattura più pregiata rispetto ad altre. Si confondono, dunque, nelle Masserie Vesuviane, vere e proprie intuizioni antisismiche con superstizioni e credenze locali, antichi rimedi senza efficacia con espedienti dettati dall’esperienza. In sostanza, però, la resistenza sismica è affidata sia alla simmetrica e massiccia tipologia, sia alla perfetta incastratura dei massi di pietra che la compongono. Si denota, infatti, una capacità auto-assestante degli edifici rurali vesuviani sottoposti a sollecitazioni sismiche generate dal vulcano. CONCLUSIONI L’utilizzo di metodologie antisismiche “non invasive”, come ad esempio l’aumento delle capacità dissipative delle murature, o della duttilità attraverso il controllo degli spostamenti (inserimento di catene), si rivela un sistema sorprendente e vantaggioso spesso utilizzato nelle strutture antiche. TIRANA AL INTERNATIONAL FORUM ON ARCHITECTURE AND URBANISM Gli esempi di Alhambra, delle case baraccate in Italia e dei templi in Giappone, ciascuno sito ad una diversa latitudine, dimostrano che è sempre esistita una attenzione al problema sismico, culturalmente consapevole o meno, in ogni caso non tale da rendersi protagonista del progetto architettonico, bensì integrata con esso in maniera quasi discreta. Parallelamente, l’analisi condotta nel merito delle tipologie costruttive concernenti l’architettura minore realizzate nell’area Vesuviana, ha consentito di valutare l’efficienza intrinseca del comportamento di tale tipologia strutturale nei confronti del sisma. Infatti questi edifici, sia pure per merito di superstizioni e credenze locali, sia per vere e proprie intuizioni antisismiche realizzate con espedienti dettati dall’esperienza, appaiono senza dubbio concepiti in modo che le azioni orizzontali indotte dagli eventi sismici siano immediatamente assorbite e trasferite alle fondazioni, con un comportamento che ha garantito fino ai giorni nostri un buon funzionamento dinamico. Scopo di queste pagine non è dunque in nessun caso la negazione di quanto di importante e risolutivo la tecnologia moderna ha prodotto in campo antisismico nell’era moderna, ma anzi è il trasferimento di tali concetti al campo esteso dell’Architectural Heritage, tramite una riflessione sull’inapplicabilità in questo caso della maggior parte delle tecniche moderne concepite per l’architettura contemporanea - si rimanda a precedenti studi sul tema dell’approccio all’analisi del patrimonio costruito effettuato dagli autori (Cennamo et al., 2018(b); Cennamo et al., 2019) e quindi sulla riscoperta-rimessa in campo degli eventuali presìdi strategici già in essere dall’epoca della costruzione del manufatto antico che si va esaminando. BIBLIOGRAFIA Carpani, Bruno (2003). Tecnologie moderne e culture sismiche nell’antichità: il tempio di Artemide a Efeso tra mito e realtà, GlissNews, (Bologna, Enea), n.1. Carpani, Bruno (2005). Le Mura di Poseidone, GlissNews, (Bologna, Enea), n.1. 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