Rinforzo strutturale temporaneo post-sismico per edifici storici in Italia: le tecnologie di primo soccorso

I vantaggi e gli svantaggi delle tipologie strutturali di primo soccorso – puntello, contrasto, fasciatura e gabbia, insieme alla copertura temporanea per monumenti danneggiati – vengono valutati attraverso l’evoluzione delle loro forme e tecnologie correlate, in rapporto agli obiettivi di rapidità di costruzione, limitazione dell’ingombro, non invasività e robustezza.

Nelle costruzioni storiche italiane, il primo soccorso è diretto soprattutto al blocco dei meccanismi incipienti di ribaltamento.

Il puntello si è evoluto dal singolo puntone in legno a strutture reticolari bidimensionali o tridimensionali; il contrasto è stato progressivamente abbandonato come vera e propria soluzione di primo soccorso. Le tipologie di rinforzo a fasciatura e a gabbia dimostrano ad oggi il potenziale più alto, in relazione all’uso di fasce di poliestere o cavi d’acciaio, al fine di assicurare un limitato ingombro fino alla pressoché totale assenza, una massa contenuta e una spinta distribuita (ottenibile ad esempio con configurazioni funicolari).

I profili pultrusi in FRP sono di grande interesse specialmente per coperture temporanee ed esoscheletri.

I requisiti per future applicazioni contemplano la tempestività dell’intervento, lo sviluppo di piani di primo soccorso standard / ad hoc, con attenzione particolare ai monumenti già oggetto di restauri, e infine i criteri di accettazione per materiali non tradizionali. La letteratura internazionale sul primo soccorso strutturale è scarsa, purtuttavia le ricadute sociali dell’argomento includono, in particolare, la resilienza delle comunità nei confronti dell’emergenza sismica.

Necessità del primo soccorso strutturale

In Italia, più di 100.000 beni immobili sono inclusi nella Mappa del Patrimonio Culturale a Rischio [1], presenti sia nelle città d’arte sia in piccole città e paesi [2]. Essi rappresentano l’identità culturale del Paese, e la loro conservazione è il prerequisito per la loro vitalità. Il danno sismico agli edifici tradizionali e monumentali è investigato scientificamente in Italia dagli anni ’70, con particolare impulso alla fine degli anni ’90.

La ricerca ha dedicato sforzi particolari ai meccanismi di collasso, al restauro post-sismico, nonché al rinforzo e miglioramento sismico [3-7]. Vi è ampia documentazione a proposito dei terremoti di Rieti (1898), Messina (1908), Friuli (1976), Irpinia (1980), Reggio Emilia (1996), L’Aquila (2009), Emilia (2012), Italia Centrale (2016). In tali circostanze, le costruzioni tradizionali si sono sempre rivelate le più vulnerabili; chiese e torri sono i tipi più frequentemente danneggiati. La stabilità degli edifici danneggiati deve essere assicurata fintantoché i lavori di restauro non li riportano alla piena efficienza strutturale.

Il Centro Internazionale per lo Studio della Conservazione e del Restauro dei Beni Culturali – ICCROM [8] definisce il primo soccorso (first aid) come “le azioni immediate e interdipendenti finalizzate a stabilizzare e ridurre il rischio al patrimonio culturale in pericolo durante e dopo un’emergenza”.

L’obiettivo di tali azioni è “promuovere il recupero del patrimonio culturale danneggiato, facilitando così il recupero delle comunità ad esso connesse”.

In riferimento al danno sismico agli edifici appartenenti al patrimonio culturale, le strutture temporanee costruite nella fase emergenziale per assicurarne la stabilità strutturale, in vista dei futuri restauri, possono essere chiamate strutture di primo soccorso o primo soccorso strutturale.

Il primo soccorso strutturale ai beni culturali viene attivato sul sito colpito dopo il completamento delle operazioni di salvataggio e sicurezza delle persone.

È un passo essenziale per evitare ulteriori danni e perdite al patrimonio e per facilitarne la conservazione, garantendo l'agibilità dell'edificio durante i successivi lavori di restauro. In particolare in Italia, la preoccupazione per il Primo Soccorso strutturale dopo il terremoto è giustificata da diverse ragioni.

In primo luogo, il frequente verificarsi di cluster sismici, ossia più scosse principali seguite da scosse di assestamento [9], aumenta il rischio di collasso dopo la prima scossa, se confrontato con le sequenze sismiche (una singola scossa principale e scosse di assestamento minori).

L'Istituto Nazionale di Statistica ha poi evidenziato la preoccupazione degli italiani per il deterioramento del paesaggio [2], riflettendo la loro consapevolezza del paesaggio - compresi i centri storici - come bene pubblico. Tale preoccupazione è condivisa dal mondo dell’università e della ricerca [10].

La base per la progettazione e la costruzione di strutture di primo soccorso è la conoscenza dei potenziali meccanismi di collasso degli edifici in muratura.

Le costruzioni in muratura possono essere trattate come insiemi di macroelementi - ad esempio pareti, facciate, volte - ognuno dei quali ha meccanismi di collasso ben noti.

Il ribaltamento (meccanismo fuori piano) è di gran lunga il più comune nelle chiese antiche in muratura sotto l'azione del terremoto [5, 7]. La figura 1 illustra le diverse possibili caratteristiche del ribaltamento di facciata [11].

Anche i campanili danneggiati sono una minaccia per gli edifici circostanti; possono essere isolati, in aderenza o sovrapposti alle chiese. Generalmente una torre viene considerata come un unico macroelemento, tuttavia è a sua volta composta da sotto-elementi che determinano diversi meccanismi peculiari. Infatti, per la parte superiore del fusto sono possibili il ribaltamento, la traslazione e il successivo ribaltamento e rotazione intorno a due assi (intorno a un lato o a un angolo), oppure la sola traslazione; anche gli angoli possono subire ribaltamenti [12]. La lanterna, se le aperture sono ampie, presenta un comportamento a telaio.

Negli edifici danneggiati dopo una scossa sismica, il quadro fessurativo può rivelare un meccanismo di collasso incipiente, che deve essere inibito prima che si verifichino altre scosse principali o di assestamento. Il concetto di meccanismo incipiente non ha ancora una definizione in letteratura e si basa principalmente sul giudizio degli esperti. Il primo soccorso strutturale è il mezzo per evitare che un meccanismo incipiente si evolva in un meccanismo di collasso completo. Da questo punto di vista, l'intervallo di tempo tra due scosse principali, o tra la scossa principale e quelle di assestamento, è cruciale per la sopravvivenza di un monumento danneggiato.

Valutazione, progettazione e costruzione delle strutture di primo soccorso

Le strutture di primo soccorso sono concepite e costruite in seguito a decisioni rapide prese nell'emergenza post-terremoto, al di fuori delle procedure codificate per la costruzione di edifici.

Supportate dalle tecnologie tradizionali e/o innovative disponibili (in particolare legno, acciaio e polimeri), le strutture di primo soccorso devono garantire:

• Tempestività dell'ideazione, della progettazione e della costruzione, e tempi brevi per la costruzione. Ciò è essenziale, in quanto diversi monumenti - ad esempio le chiese di San Benedetto a Norcia (2016) e di S. Francesco a Mirandola (2012) - sono stati quasi distrutti dalle scosse successive, prima dell'attivazione del pronto soccorso.
  
• Limitato ingombro per la mobilità delle persone e dei veicoli. Alle strutture di Primo Soccorso non vengono applicati i vincoli normativi per le opere di restauro permanente, soprattutto per quanto riguarda l'impatto visivo e la scelta dei materiali; tuttavia, esse devono essere socialmente sostenibili.
  
• Non invasività e rimovibilità, con riferimento alla struttura danneggiata. Il primo soccorso è essenzialmente temporaneo, anche se la sua vita utile non può essere specificata in fase di progettazione. Non deve pregiudicare i lavori di ripristino da realizzare, né lasciare tracce permanenti sulla struttura danneggiata.
  
• Robustezza, ossia efficacia strutturale dell'intero sistema. Una struttura di primo soccorso deve garantire la sicurezza della struttura danneggiata mentre interagisce con essa. La compatibilità dinamica e sismica tra le due è essenziale, soprattutto in relazione all'incertezza della direzione e dell'entità delle scosse successive.

Le procedure generali per l'attivazione del primo soccorso (che riguardano i beni culturali così come gli edifici ordinari) sono state stabilite nel 2016, subito dopo il terremoto del Centro Italia, attraverso documenti ufficiali emessi dal Servizio di Protezione Civile [13-15].

In precedenza, il primo soccorso strutturale era compito delle squadre locali del Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco. La valutazione in loco delle necessità di primo soccorso è affidata ai Gruppi Tecnici di Supporto (GTS), attivati dai Centri di Coordinamento Regionale (CCR) del Servizio di Protezione Civile.

Un GTS è composto da personale tecnico del Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco e di altri enti pubblici. Il GTS segnala al CCR

1. le esigenze di primo soccorso strutturale,
2. le soluzioni praticabili 
3. la disponibilità di materiali, competenze e attrezzature all'interno del CCR o la necessità di ricorrere a ditte private.

Il CCR informa quindi il Sindaco, che rilascia i necessari titoli autorizzativi.

Qualora l’emergenza sismica tocchi il patrimonio culturale, il GTS comprende anche i delegati dell’Unità regionale per le crisi del Ministero della Cultura, la quale deve dichiarare con urgenza quali opere di primo soccorso intende gestire direttamente. Quando il pronto soccorso strutturale viene finalmente attivato, la responsabilità del controllo e della manutenzione viene trasferita dal Ministero della Cultura al proprietario del bene immobile e al Sindaco.

Il primo soccorso strutturale è classificato in quattro livelli di rilevanza e urgenza [15].

Le strutture di primo soccorso di media rilevanza possono essere rapidamente progettate dai Vigili del Fuoco, utilizzando un manuale specifico [16]. Le opere di alta rilevanza richiedono l'intervento di aziende specializzate che forniscono una progettazione ad hoc. Infine, i primi soccorsi urgenti di alta rilevanza sono affidati a uno degli enti presenti all'interno del CCR - Vigili del Fuoco, Ordine degli Ingegneri, ecc. - per essere progettati e costruiti secondo le loro specifiche procedure interne.

La maggior parte delle strutture di primo soccorso sono concepite, sviluppate e costruite dai Vigili del Fuoco. Ogni unità regionale dei VVF ha le proprie conoscenze specifiche in materia di primo soccorso, soprattutto in relazione alle tradizioni locali e alla disponibilità di materiali.

La Protezione Civile [13] raccomanda un processo di progettazione in sei fasi, ovvero

1. Riconoscimento del tipo di costruzione
2. Valutazione dell'entità del danno
3. Riconoscimento del/i meccanismo/i di collasso e collasso incipiente
4. Valutazione della necessità di primo soccorso
5. Identificazione della tipologia strutturale di primo soccorso e della tecnologia appropriata.
6. Progettazione della struttura di primo soccorso.

Per quanto riguarda il punto 6, la soluzione deve tenere conto anche delle azioni sismiche e degli assestamenti previsti, della vita utile prevista e delle condizioni ambientali; la struttura deve essere facilmente e rapidamente costruita, durevole ed economica.

Anche il Servizio di Protezione Civile ha pubblicato manuali di pronto soccorso strutturale [17, 18]; tuttavia, a causa della pratica in circostanze di emergenza e dello scarso interesse degli ingegneri dei VVF per le pubblicazioni accademiche, sono disponibili pochissimi articoli scientifici sull’argomento del Primo Soccorso [19-21]. Il presente lavoro presenta un quadro storico e l'evoluzione delle tipologie di pronto soccorso strutturale in Italia; le prospettive per i loro sviluppi futuri sono infine discusse in relazione alle tecnologie più recenti.

Evoluzione storica delle tecnologie di primo soccorso

Nelle sottosezioni seguenti viene presentata una discussione sull'evoluzione dei concetti e delle tecnologie di primo soccorso, seguendo l'ordine cronologico degli eventi sismici più significativi.

I terremoti storici considerati - citati con la loro intensità MM secondo la scala Mercalli modificata - sono quelli di MM ≥ VIII, sufficienti a generare meccanismi di collasso almeno incipienti.

Nella figura 2, si propone una classificazione delle principali tipologie strutturali di primo soccorso per gli edifici tradizionali in muratura, ossia puntello, contrasto, fasciatura e gabbia. Tali tipologie, e le tecnologie ad esse correlate, hanno orientato l'evoluzione del primo soccorso strutturale. Oltre a queste, la tipologia della copertura temporanea per edifici danneggiati dovrebbe essere considerata quale struttura di primo soccorso, sebbene non si tratti di una struttura di rinforzo che interagisce direttamente con quella danneggiata.

Il puntello e il contrasto sono i sistemi più antichi; svolgono una funzione diretta di trasferimento dei carichi all'esterno dell'edificio. Il puntello, che è tuttora una tipologia molto comune, è realizzabile se l'edificio è circondato da uno spazio libero adeguato. Il contrasto trasferisce i carichi agli edifici vicini ritenuti sufficientemente robusti, consentendo un ingombro minimo o nullo; tuttavia, oggi la Protezione Civile considera il contrasto accettabile solo come soluzione di passaggio durante l'installazione di una struttura di pronto soccorso che non affidi alcuna funzione agli edifici vicini [15]. Il legno e, successivamente, l'acciaio sono sempre stati i materiali principali per puntelli e contrasti.

Le fasciature e le gabbie sono invece soluzioni relativamente recenti e non trasferiscono carichi all'esterno dell'area della struttura da rinforzare. Con le fasciature sono stati introdotti nel primo soccorso strutturale i polimeri, in particolare il poliestere, nel ruolo di elementi tesi su pali di legno o metallici disposti intorno all'edificio. Si può vedere quindi come le strutture di primo soccorso si siano evolute da "stampella" a rinforzo strutturale temporaneo, sfruttando la capacità di trazione piuttosto che di compressione dei materiali, e riducendo al minimo l'uso di membrature compresse e flessionali.

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Articolo tratto da STRUCTURAL 242.