Prevenzione sismica e rigenerazione architettonica mediante esoscheletri

Questo articolo tratta le nuove strutture realizzate all’esterno degli edifici esistenti, per la prevenzione sismica. Queste addizioni sono chiamate “esoscheletri”, con parziale corrispondenza alla zoologia; parziale perché, nelle costruzioni gli esoscheletri sono solo l’ossatura che dà sostegno, mentre nella zoologia sono anche una corazza protettiva.

L’esoscheletro viene analizzato e considerato non solo per la mitigazione del rischio sismico ma anche per l’adeguamento statico, non solo quale mera soluzione strutturale ma anche come soluzione architettonica, e non solo come necessità ma anche come opportunità per una progettazione integrata volta alla rigenerazione degli edifici, anche là dove sono possibili soluzioni tradizionali. L’articolo parte dagli esoscheletri del nuovo, i quali rappresentano i riferimenti per il costruito (per gli edifici le cui fotografie più emblematiche sono coperte da copyright, si rimanda tacitamente al WEB).

Definizione di esoscheletro e riferimenti

Definizione per l'esistente. Sistema strutturale esterno all’edificio che, con la collaborazione degli orizzontamenti (solai) esistenti, fornisce una parte della rigidezza e della portanza alle azioni orizzontali (sismiche o eoliche), e può portare a terra una frazione delle azioni verticali (gravitazionali: pesi).

Se si assume che l’esistente nominalmente non abbia più alcun ruolo strutturale ma consista formalmente in componenti portati (non-strutturali), l’esoscheletro fornisce l’intera rigidezza e portanza alle azioni orizzontali e verticali. Questo però solo nelle verifiche e nella relazione di calcolo. Di fatto il sistema strutturale esistente continua a portare i carichi di servizio (azioni verticali e orizzontali quasi permanenti o frequenti).

Definizione per il nuovo. Sistema strutturale al contorno dell’edificio (perimetrale) che, con la collaborazione degli impalcati (strutture orizzontali – travi, travate, etc. – e degli orizzontamenti – solai), fornisce tutta la rigidezza e la portanza alle azioni orizzontali (sismiche o eoliche), e porta a terra tutte le azioni verticali.

Nel nuovo, l’esoscheletro forse più emblematico è il Centro Georges Pompidou, a Parigi, degli Architetti Renzo Piano e Richard Rogers, e degli Ingegneri Edmund Happold e Peter Rice. La data di inaugurazione – 1977 – è meno significativa.

La data più significativa è l’anno in cui il progetto vinse il concorso: 1971. Il progetto è sessantottino: rivoluziona l’idea e la concezione di museo. Da edificio massivo, austero e sacrale, a involucro autonomo dalla storia e dal contesto, contenitore di uno spazio totalmente libero; come autonoma e libera è l’arte che l’edificio è destinato a ospitare. Ebbene, l’esoscheletro ha permesso di ottenere 7500 m² a piano per 5 piani totalmente liberi, riconfigurabili di volta in volta a seconda di ciò che deve essere esibito.

Occorre porre un confine. Gli involucri strutturali che rinviano le azioni orizzontali a strutture verticali interne non sono esoscheletri; e difatti non rientrano nella definizione data. Un esempio è la Central Library di Seattle (USA), di Rem Koolhaas (OMA), del 2004, che, appunto, non è un esoscheletro ma un involucro strutturale.

Confini geografici invece l’esoscheletro non li ha: dai Dormitory di Berkeley (Fig. 1) sino al Giappone, dove l’esoscheletro è promotore di una contro-tendenza storica (Fig. 2).

La tradizione nipponica nella prevenzione è di demolire gli edifici circa ogni trent’anni. Nel caso degli edifici monumentali, essi vengono ricostruiti tali e quali. Questo atteggiamento è sintetizzato da Italo Calvino nel suo Diario giapponese: “L’antico è ciò che perpetua il suo disegno attraverso il continuo distruggersi e rinnovarsi degli elementi perituri”. Grazie all’esoscheletro, dunque, in Giappone è in atto un cambio di strategia nella prevenzione e nella conservazione.

L’ esoscheletro è la naturale risposta a molte richieste per il costruito e per il nuovo; logica conseguenza, è presente sulla scena urbana come prassi ancor prima di una sua teorizzazione, che ancora manca. In effetti, le esperienze ne confermano la liceità. Però, in assenza di un paradigma critico, le applicazioni sono ancora delle monadi. Non riconoscendo le esperienze precedenti, vengono meno i riferimenti, viene meno la stratificazione dei saperi.

Ogni applicazione sembra essere un nuovo inizio. Inoltre, molte architetture ex-novo che sono esoscheletri non vengono riconosciute come tali, a meno che non lo denuncino in modo palese, come il Centro Pompidou. Gli esempi potrebbero moltiplicarsi. Tra questi, la Sede Mondadori (Segrate, Milano), una architettura arcinota di uno dei Maestri del XX secolo, Oscar Niemeyer, ultimata nel 1975, che spesso non viene riconosciuta come esoscheletro, mentre è un esoscheletro usato per appendere una scatola interna.

Rischio sismico del patrimonio edilizio: due problemi ancora aperti

Potenzialmente, la mitigazione del rischio sismico è un problema per lo più risolto. L’ingegneria sismica, pur essendo una disciplina relativamente giovane, ha raggiunto quasi tutti i risultati che può fornire a chi costruisce. Anche perché, costruire è un’arte più che una scienza; o meglio, un’arte fondata su solide e ampie conoscenze scientifiche e tecniche.

L’ingegneria delle strutture è basata su quelle straordinarie e ineguagliabili virtù dell’uomo che sono l’intuizione, l’immaginazione creativa, la capacità di interpretare la realtà fisica, e si attua, specie per l’esistente, con i disegni e nel cantiere, mentre gli apparati teorici e formali servono soltanto per rifinire e giustificare il progetto. Nella sismica , in particolare, i modelli numerici non sono in grado di prevedere nemmeno l’ordine di grandezza dei comportamenti che si prefiggono di riprodurre e simulare.

Il rischio sismico è stato adeguatamente definito e contemplato anche in termini economici ed erariali, da cui i recenti dispositivi legislativi. Questo sul piano teorico. L’applicazione sul piano dei fatti dipende soltanto dalla volontà, dai bilanci, dalla consapevolezza. Però, qualche problema scientifico ancora irrisolto rimane.

Questo articolo si riferisce appunto a due problemi che sono ancora aperti:

1. gli edifici il cui contenuto è di pregio o il cui servizio erogato è importante;
2. gli edifici che, all’interno, ammettono solo poche lavorazioni o modifiche. Gli esempi più emblematici per entrambe le categorie sono gli edifici sanitari e ospedalieri, e molti manufatti per la produzione. Alla seconda categoria appartengono anche molti condomìni.

La prestazione più importante per la prima categoria spesso è che la domanda allo Stato Limite di Operatività sia inferiore alla capacità; ma a quella effettiva, che può essere più severa dei limiti di normativa, i quali sono generali (se non generici), mentre dovrebbero dipendere dalle specifiche esigenze dei componenti portati da proteggere (costruttivi, impiantistici, di arredo). Per inciso, la normativa definisce i limiti dello SLO solo con il drift, mentre alcuni limiti dovrebbero essere definiti dalla velocità, altri dall’accelerazione.

Per la seconda categoria l’intervento deve consistere in un esoscheletro; che spesso è la soluzione migliore, se non l’unica, anche per la prima categoria, poiché irrigidire una struttura esistente è un’impresa assai ardua.

Teoria sulla progettazione degli esoscheletri

Il parallelo tra gli esoscheletri del costruito e del nuovo, oltre a fornire i riferimenti, mette in luce una doppia reciprocità.

Prima reciprocità: l’esoscheletro viene introdotto, nel nuovo come soluzione architettonica, mentre nell’esistente come soluzione strutturale.

Seconda reciprocità: affinché il nuovo dia luogo a un armonico equilibrio della triade vitruviana (la concinnitas dell’Alberti), il progetto architettonico deve contemplare le potenzialità e le prerogative strutturali dell’esoscheletro. Affinché l’intervento sul costruito non sia una mera e misera stampella, il progetto strutturale deve essere, non solo parte, ma anche partecipe di un progetto architettonico, e la pianificazione deve contemplare le potenzialità architettoniche dell’esoscheletro.

Se è vero che, nel nuovo, è l’assenza di strutture verticali nel corpo di fabbrica a promuovere l’esoscheletro (prima reciprocità), è però altrettanto vero che solo una integrazione fra progetto architettonico e progetto strutturale crea una architettura di pregio (seconda reciprocità).

Il Centro Pompidou esemplifica perfettamente il concetto. Un altro esempio – e qui siamo alle vette della architettura – è la Crown Hall: 2450 m² coperti, senza appoggi interni (tipo ad aula). A differenza di quanto potrebbe sembrare a prima vista, la struttura è tutt’altro che semplice. Mies ha potuto dare corpo al suo motto – “less is more” – solo grazie a una eccellente progettazione strutturale, perfettamente integrata alla progettazione architettonica (Fig. 3).

Nel costruito l’esoscheletro permette di ottenere una serie di benefici in forma integrata (prima e seconda reciprocità): incremento della portanza statica (SLU) e della capacità sismica (SLV, SLC); incremento di rigidezza (sia per gli SLO e SLD, sia per proteggere l’esistente dallo SLC); nuove strutture non invasive degli spazi interni; lavorazioni che non interrompono l’uso; previsioni dei costi più affidabili; sostituibilità degli elementi predisposti per dissipare (quindi concepiti come fusibili); efficientamento energetico; rimodulazione del carattere architettonico dell’edificio; se tri-dimensionali, addizioni esterne e modifiche del distributivo.

Rimanendo nell’analogia con la zoologia, un esoscheletro presuppone anche un endoscheletro, salvo eccezioni (edifici monopiano o “scatole”).

Nel nuovo l’endoscheletro è costituito dalle strutture orizzontali e dagli orizzontamenti: esoscheletro ed endoscheletro entrambi ex-novo.

Nel costruito, l’endoscheletro è il sistema strutturale esistente, strutture verticali incluse: esoscheletro ex-novo ed endoscheletro esistente. Ebbene, l’endoscheletro esistente pone tre categorie di vincoli, le quali dettano e condizionano drasticamente il progetto (si veda il paragrafo all'interno del pdf):

• I - resistenza e rigidezza degli orizzontamenti;
• II - traslazione orizzontale ultima in capacità dell’esistente;
• III- porzioni in pianta e in altezza non-occupabili dall’esoscheletro.

Gli esoscheletri si differenziano in base :

1. alla terza dimensione,
2. ai materiali,
3. al funzionamento strutturale.

Quelle caratteristiche definiscono il tipo di esoscheletro.

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All'interno si tratta di:

• Vincoli degli esoscheletri
  
• Tipi di esoscheletro
  
• Miglioramento e adeguamento ai sensi delle NTC
  
• Perdita Annuale Media – PAM
  
• Conclusioni

PER APPROFONDIRE
Di questi argomenti il Prof. Paolo Foraboschi ne ha parlato anche durante il seminario "Prevenzione antisismica del costruito", tenutosi a Bologna il 25 gennaio 2024 di cui si riporta il suo intervento.

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