Come avviene la protezione sismica degli oggetti d’arte?

Conosciamo alcune delle tecniche impiegate nella mitigazione del rischio sismico delle strutture. Ma dal punto di vista della conservazione del patrimonio artistico e culturale, a che punto siamo? Fonte di inestimabile ricchezza per il nostro Paese, si è sviluppato sempre più l’interesse nel proteggere gli oggetti d’arte dal manifestarsi di eventuali terremoti. Statue, busti e manufatti simili, esibiti sia all’aperto che all’interno dei musei, rappresentano opere da preservare. Dietro l’esposizione di una statua c’è un mondo nascosto in cui l’ingegneria sismica è il protagonista principale.

Il comportamento degli oggetti d’arte

Analogamente agli edifici, gli oggetti d’arte richiedono accorgimenti e tecniche specifiche, pensate e progettate in relazione alla tipologia degli oggetti stessi ed alla sismicità della zona in cui sono collocati. Tuttavia, la struttura che li costituisce è completamente diversa rispetto a quella delle ordinarie costruzioni in termini di materiale, massa, forma e dimensioni. Nel caso delle statue, la tecnica dell’isolamento alla base assume un’importanza fondamentale.

Questi oggetti spesse volte sono molto rigidi e dunque sottoposti ad azioni sismiche particolarmente elevate. Inoltre, a differenza delle tradizionali costruzioni civili, i beni artistici non consentono alcun abbattimento delle azioni sismiche di progetto. La causa è la loro incapacità di deformarsi oltre il campo elastico e la loro bassa duttilità.

Gli oggetti d’arte sono beni che occorre preservare integralmente, il cui danneggiamento non è previsto. Questo aspetto può essere affrontato adottando sofisticati accorgimenti. Il più comune è rappresentato dall’impiego di basi isolanti, ed in alcuni casi dissipative, per gli oggetti interessati. Tra i dispositivi impiegati nell’isolamento sismico degli edifici, quelli maggiormente utilizzati sono gli isolatori in gomma e gli isolatori a pendolo. Tuttavia, gli isolatori in gomma hanno una rigidezza che, correlata alla massa isolata, porta ad un incremento del periodo proprio di oscillazione della sovrastruttura, riducendo le azioni sismiche per gli edifici pesanti ma non per gli oggetti relativamente leggeri.

Al contrario, i dispositivi a pendolo hanno una frequenza indipendente dalla massa sovrastante, ma in questo caso gioca un ruolo non trascurabile l’attrito. Si vede dunque come la protezione degli oggetti d’arte dai terremoti ponga quale problema principale il fatto che i dispositivi di isolamento disponibili per gli edifici non risultano efficienti per questa tipologia di manufatti. Essi richiedono pertanto uno studio ed un’attenzione del tutto particolare.

Cenni storici e metodologie di intervento

Il J. Paul Getty Museum di Los Angeles è stato uno dei primi musei a porsi il problema della protezione sismica dei beni artistici. A partire dal 1983 il Museo ha sentito la necessità di studiare specifiche misure di riduzione del rischio sismico per i manufatti in esso contenuti. Da allora sono state intraprese numerose ricerche ed indagini su quali fossero le migliori tecniche di tutela per questo genere di opere. Nel corso degli anni si è sviluppato inoltre il bisogno di definire un iter procedurale da poter seguire nella definizione del più idoneo intervento protettivo di questi oggetti.

1. Percorso di conoscenza e ricerche storiche sull’oggetto d’arte da proteggere, con particolare attenzione alla sua caratterizzazione geometrica (dimensioni, peso, posizione del baricentro) e dei materiali che lo costituiscono.
2. Conoscenza storica ed indagine strutturale dell’edificio contenente l’opera.
3. Accurata definizione della domanda sismica.
4. Valutazione della vulnerabilità sismica dell’oggetto d’arte non vincolato, effettuata controllandone le condizioni di stabilità globale e studiando il manufatto come un corpo rigido suscettibile a fenomeni di rocking e ribaltamento.
5. Progetto del migliore intervento di protezione sismica del manufatto.
6. Verifica del sistema di isolamento progettato, con particolare attenzione ai seguenti parametri: efficienza e sicurezza, compatibilità del meccanismo con i materiali che costituiscono la sovrastruttura, bassa invasività, reversibilità, durabilità e costo.

Come definire la domanda sismica per gli oggetti d’arte?

Uno degli aspetti più critici di questo processo riguarda la corretta definizione della domanda sismica che sollecita gli oggetti d’arte. Questo passaggio presenta infatti notevoli difficoltà, dovute all’esigenza di definire un adeguato tempo di ritorno per il terremoto di riferimento ed alla collocazione dei beni artistici, spesso disposti ai piani superiori dei complessi che li ospitano. In questa situazione infatti, la definizione dell’azione sismica è più complessa, considerando che la struttura contenente l’opera filtra il segnale sismico modificandone così la risposta ed il contenuto in frequenza.

Una delle tecniche più semplici è impiegabile se l’oggetto da proteggere vanta di un’adeguata resistenza all’azione indotta dal terremoto. Consiste nel fissare saldamente l’opera al proprio piedistallo e stabilizzare quest’ultimo modificandone, ad esempio, le proporzioni geometriche. Quando invece l’oggetto in esame non possiede idonee caratteristiche di resistenza al sisma, la soluzione migliore è quella di ridurre la domanda disaccoppiando il moto dell’oggetto da quello del terreno, adottando specifiche tecniche di isolamento.

Qualitativamente, l’isolamento sismico di queste opere si ottiene disponendo il manufatto in esame su di un dispositivo caratterizzato da una bassa rigidezza alla traslazione orizzontale. In questo modo si ottiene uno spostamento del periodo fondamentale di oscillazione del sistema oggetto-supporto in un campo di frequenze nel quale il contenuto energetico del sisma è inferiore. In alcuni casi, al dispositivo che realizza l’isolamento viene accoppiato un dissipatore in grado di smaltire parte dell’energia che il sisma trasmette all’intero sistema.

Alcuni esempi: la Pietà Rondanini di Michelangelo

Numerose sono nel mondo le applicazioni di sistemi di isolamento sismico di singoli manufatti artistici. E la fantastica Pietà Rondanini di Michelangelo è una di queste. L’opera è posizionata in un nuovo allestimento museale all’interno del Castello Sforzesco di Milano.

Questo ha comportato la necessità di pensare e progettare un sistema che ne prevedesse l’isolamento dalle vibrazioni indotte dal passaggio della metropolitana, che transita al di sotto del Castello, e da probabili eventi sismici. La vulnerabilità della Pietà Rondanini è aumentata dal fatto che, per ragioni estetiche, essa è posizionata su di un basamento più alto rispetto al livello del terreno.

Per la protezione dell’opera è stata adottata una piastra di isolamento dotata sia di un sistema di guide a ricircolazione di sfere, sia di dispositivi in gomma per la riduzione degli effetti delle vibrazioni prodotte dal traffico. Sulla piastra di isolamento è fissato il basamento in acciaio, di forma circolare. Al suo interno è inserito un sistema in grado di trattenere la statua, consentendone comunque l’oscillazione, in caso di azioni orizzontali superiori ad una soglia prefissata. I dispositivi in opera sono inoltre completati con molle estensionali e smorzatori al fine di contenere lo spostamento del sistema.

Il sistema ideato si caratterizza come una soluzione innovativa che garantisce contemporaneamente la protezione dalle vibrazioni indotte dal traffico, pressoché continue, di bassa intensità e con frequenze comprese tra 20 e 100 Hz, e dal sisma, contraddistinto da vibrazioni casuali, di forte intensità e con frequenze comprese tra 0.5 e 20 Hz.

I Bronzi di Riace

Per mezzo di una convenzione stipulata con la Direzione Regionale per i Beni Culturali e Paesaggistici della Calabria, l’ENEA ha ideato e realizzato innovative basi antisismiche in marmo per i Bronzi di Riace. Si tratta di un sistema di isolamento particolarmente adatto alle statue caratterizzate da un prevalente sviluppo verticale con ridotta base di appoggio. Questo poiché rende minime o nulle le vibrazioni nel punto più sollecitato, ovvero alla base delle gambe.

L’approccio alla progettazione è consistito nell’affidare direttamente ai basamenti in marmo delle statue la funzione di isolamento. A tale scopo è stata studiata per questi una nuova geometria che affiancasse alla soluzione architettonica anche la funzione strutturale. Ovvero che conferisse al basamento le seguenti caratteristiche:

• Bassa rigidezza e ridotta dissipazione.
• Possibilità di compiere grandi spostamenti orizzontali.
• Isolamento sismico nelle due direzioni orizzontali e smorzamento delle oscillazioni verticali provocate dal terremoto.

Il risultato della progettazione sono delle basi composte ciascuna da due blocchi sovrapposti realizzati in Marmo di Carrara. Sulle superfici interne sono scavate, specularmente ai due blocchi, quattro calotte la cui geometria è un ellissoide di rotazione. Su di esse sono collocate quattro sfere anche esse in marmo. La presenza delle sfere fa sì che, in presenza di un terremoto, è la parte inferiore della base a subire l’azione sismica, muovendosi con il terreno senza trasmettere sollecitazioni alla parte superiore.

Tra i due blocchi in marmo sono inseriti inoltre degli elementi dissipativi a trefolo. Nel blocco superiore invece sono posizionati dei dispositivi di smorzamento per le accelerazioni verticali. L’ancoraggio delle statue al sistema di isolamento avviene mediante dei cavi in grado di esplicare forze di ritenuta.

La statua di Hermes con Dioniso

La famosa statua di Hermes con Dioniso, opera dello scultore greco Prassitele, è dotata di un dispositivo di protezione denominato Friction Pendulum. Questo sistema impedisce la rottura o il ribaltamento della statua consentendo ad essa di oscillare dolcemente da lato a lato, come un pendolo.

Tale congegno consiste in due superfici concave realizzate in acciaio inossidabile, aventi raggi di curvatura e coefficienti di attrito che possono essere diversi tra loro. Le due superfici sono separate da un elemento centrale disarticolato, realizzato in materiale non metallico e dotato di superfici superiore ed inferiore sagomate in modo tale da accoppiarsi con le due superfici di scorrimento concave.

La disarticolazione è indispensabile sia per una corretta distribuzione delle pressioni verticali sulle interfacce scorrevoli, sia per permettere movimenti relativi tra le due superfici del dispositivo e l’elemento centrale. Poiché l’attrito non potrà mai essere esattamente uguale sulle due superfici concave, vi sarà sempre una seppur piccola rotazione dell’elemento centrale. Questo dimostra l’importanza della disarticolazione, senza la quale l’elemento centrale sarebbe soggetto ad un carico aggiuntivo indesiderato.

La caratteristica principale di questo sistema di isolamento consiste nel fatto che il periodo proprio della struttura isolata, oltre ad aumentare rispetto al periodo originario, dipende esclusivamente dalla geometria del dispositivo stesso, ovvero dai raggi di curvatura delle superfici concave, e non dalla massa dell’oggetto sul quale è installato. Un’ulteriore caratteristica di questa tipologia di dispositivi, altrettanto importante, consiste nella loro capacità di ricentraggio dell’intero sistema nella posizione iniziale una volta cessato l’evento sismico, a causa dell’effetto combinato dell’accelerazione di gravità e della curvatura.

di Matteo Tomellini