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Eng. Onorio Francesco Salvatore

Risposta sismica locale: parte IV – terremoti e monumenti nell’antica Roma

Written By: Francesco Salvatore Onorio - Nov• 10•10

Giungiamo alla IV ed ultima parte della trattazione della risposta sismica locale. Dopo avere fornito le nozioni basilari nella parte I, aver trattato il caso di un viadotto risontante nella parte II, aver illustrato l’analisi sismica territoriale nella parte III, l’esperto di Geologia e Geotecnica Romolo di Francesco ci porta nell’antica Roma, alla scoperta delle fondazioni del Colosseo e delle colonne Traiana e di Marco Aurelio.

1. UN CASO DI STUDIO: il Colosseo

La storia del Colosseo probabilmente non è conosciuta come dovrebbe, considerato che forse pochi sanno che tale mirabile opera dell’antichità fu costruita utilizzando una piastra in calcestruzzo pozzolanico, dello spessore di 7 metri, poggiante in parte su solida roccia ed in parte su terreni soffici. In questo modo fu involontariamente creato un forte contrasto, in termini di rigidezza, tra il settore settentrionale, interagente con roccia vulcanica, e quello meridionale poggiante invece sui sedimenti dell’antico Fosso Labicano.

In effetti, prima del Colosseo (80 d.C.) tale parte di Roma era utilizzata dagli urbanisti per costruire sontuose residenze tanto da aver ridotto il fosso ad un piccolo lago, il quale fu successivamente utilizzato come sito per ospitare le macerie del grande incendio del 64 d.C. attribuito a Nerone. Infine, quando i Flavi edificarono ivi nuove opere pubbliche, tra le quali il Colosseo, furono definitivamente perse le tracce e la memoria dell’antico lago.

Nei secoli successivi il Colosseo rappresentò i fasti dell’antica Roma, accompagnandone con i giochi la politica espansionistica fino al declino definitivo avvenuto nel V secolo dopo Cristo, allorquando fu abbandonato per essere poi utilizzato come cava, rifugio di reietti e ricovero di animali.

Figura 1. Sezione stratigrafica schematica del sottosuolo del Colosseo (da: Funiciello & Rovelli, 1998)

La storia del Colosseo non può, però, essere considerata in tale semplicistica maniera, poiché in realtà la sua  parte meridionale iniziò a manifestare segni di vulnerabilità, e perdita parziale dell’integrità, probabilmente a partire dai terremoti del 443 e 484 a seguito dei quali sia il podio che l’arena risultarono gravemente danneggiati.

Come hanno infine dimostrato Funiciello & Rovelli (1998), mediante analisi dinamiche 2D della sezione mostrata in figura 1, l’amplificazione sismica della valle è risultata deleteria per l’integrità strutturale della porzione meridionale del Colosseo, anche per terremoti di media entità tipici dell’Urbe.

Concludendo, oggi tale famosissimo monumento è soggetto all’azione di vibrazioni indotte dalla metropolitana, le quali agiscono comunque in una banda di alte frequenza lontane dai modi principali di vibrazione della struttura compresi tra 1 Hz (T1 = 1 sec) e 4 Hz (Tn = 0.25 sec).

2. UN CASO DI STUDIO: le colonne Traiana e di Marco Aurelio

Nei pressi del Colosseo sono ubicate due colonne dell’epoca imperiale, attribuite a Traiano (113 d.C.) ed a Marco Aurelio (all’incirca coeva) rispettivamente per festeggiare la vittoria contro di Daci e per narrare la guerra germanica e sarmatica; ma, mentre la prima, con una base alta 12 metri, è risultata fondata su roccia vulcanica la seconda poggia su terreni alluvionali del Fiume Tevere aventi uno spessore locale fino a circa 60 metri (figura 2).

Figura 2. Confronto tra: A) Colonna Traiana, poggiante su solida roccia; B) Colonna di Marco Aurelio, poggiante sulle alluvioni del Fiume Tevere. Notare la rotazione tra i conci per effetto di oscillazioni sismiche

(da: Di Francesco R., 2008)

Analizzando nel dettaglio le due colonne, si scopre che la prima è perfettamente integra mentre la seconda manifesta segni di dislocazione dei blocchi che la costituiscono fino a circa 10 centimetri, tanto che alcune figure scolpite a cavallo dei giunti risultano chiaramente ruotati (figura 2B); nel contempo, la scala interna, che fino al medioevo era utilizzata a pagamento come osservatorio della Roma antica, è risultata inutilizzabile a partire dal 1350.

L’ipotesi è che il danneggiamento selettivo della Colonna di Marco Aurelio sia stato provocato dal terremoto del 1349, al quale è anche attribuito il crollo di alcuni archi della cerchia esterna meridionale del Colosseo, del campanile della Basilica di San Pietro, della parte superiore della Torre dei Conti ed infine del tetto e di parte dell’atrio della Basilica costantiniana di San Pietro.

Al pari del Colosseo, anche nel caso della Colonna di Marco Aurelio sono state condotte accurate analisi dinamiche, dalle quali è emerso che la frequenza fondamentale calcolata per i terreni è risultata f1,ter = 1.2 ¸ 1.5 Hz mentre quella sperimentale f1,col = 1.3 Hz (T1 = 0.77 sec); ciò comporta che in occasione di eventi sismici, anche di media intensità, si verifica non solo il fenomeno dell’amplificazione sismica ma anche un accoppiamento terreno – struttura risonante.

Gli studi sono stati infine completati da prove sperimentali su tavola vibrante relative ad un modello in scala 1:6 della colonna, dalle quali è emerso che i segni prodotti da un terremoto sono praticamente identici a quelli reali.

3. CONCLUSIONI

Gli esempi descritti non sono gli unici relativi ai fenomeni che sottendono la risposta sismica locale dell’antica Roma, considerato che, ad esempio, anche la Basilica costantiniana di San Pietro fu seriamente danneggiata dal terremoto del 1349 tanto da indurre il Papa a trasferirsi ad Avignone. Allorquando alla fine del XV secolo il Papa Guido II diede incarico al Bramante di progettare la nuova basilica, questi ideò un edificio a croce greca fondato sulle rocce vulcaniche; ma, quando Paolo V decide di ampliarla, incaricando il Bernini, una delle due torri campanarie poste alle estremità della facciata fu nuovamente poggiata sui terreni alluvionali del Fiume Tevere. E di fatti, a causa delle lesioni causate da eventi sismici che si sovrapposero ai gravi squilibri manifestatisi durante la costruzione, nel 1670 la stessa dovette infine essere demolita. Non ultimo l’intero colonnato del Bernini segna il limite dell’antica ansa fluviale che demarca la posizione dei terreni alluvionali rispetto alla solida roccia vulcanica.

A conclusione dell’intero articolo occorre anche considerare che tutti i metodi di calcoli illustrati sono relativi alle sole condizioni di free-field, ossia non considerano la presenza delle strutture; in quest’ultimo caso, di fatti, cambiano anche radicalmente le condizioni al contorno che sottendono la risposta sismica locale conducendo all’analisi dell’interazione terreno-struttura per la quale occorrono introdurre nei modelli numerose ulteriori variabili, tra le quali:

–          il rapporto di snellezza della struttura;

–          l’accoppiamento terreno-struttura in termini di rigidezza relativa.

Ragionando in tale direzione risulta che lo smorzamento dovuto alla presenza della fondazione di una struttura elastica (es. telai in c.a.) che interagisce con terreni rigidi (es. il substrato roccioso) è decisamente superiore rispetto al caso di interazione con terreni soffici in funzione della dissipazione di energia nel sottosuolo riconducibile:

–          all’isteresi propria del materiale, soprattutto per elevati livelli di sollecitazione e deformazione;

–          all’irraggiamento delle onde dalla fondazione verso il semispazio.

Occorre nel contempo anche considerare che lo smorzamento totale dovuto alla fondazione aumenta con la deformabilità del terreno, risultando contestualmente maggiore nelle strutture tozze piuttosto che in quelle snelle. Non ultimo, il problema è talora complicato dalla presenza di terreni soffici poggianti su substrato roccioso, dai quali non dipende solo l’amplificazione sismica vista finora ma anche la riflessione del treno di onde che dalla fondazione viaggiano verso il basso conducenti all’annullamento dello smorzamento per irraggiamento e una notevole diminuzione di quello totale.

Infine, non può essere sottaciuta nemmeno la funzione svolta dalla lunghezza delle onde sismiche:

(1)

la quale può essere relazionata alla velocità della componente di taglio polarizzata sul piano orizzontale.

In questo modo si scopre che:

a)      le onde si propagano all’interno delle alluvioni costituenti l’ossatura della città di Teramo (parte III dell’articolo) con lunghezze di 80, 40 e 27 m in relazione ai primi tre modi di vibrazione;

b)      il terremoto di progetto utilizzato in tutti i casi di studio si propaga con lunghezze d’onde di 283 m relative al primo modo di vibrazione.

Elementi che, se possono essere trascurati per strutture di ordinarie dimensioni, devono essere tenuti in debito conto nel caso di strutture ad elevato sviluppo lineare come ad esempio nel caso delle dighe.

4. BIBLIOGRAFIA DI RIFERIMENTO

Di Francesco R., Lesioni degli edifici: applicazioni di geotecnica e geofisica nell’analisi dei cedimenti delle fondazioni. Ulrico Heopli Editore Spa, Milano, 2008.

Funiciello R., Rovelli A., Terremoti e monumenti a Roma. Le Scienze, maggio 1998.

Ringraziamo Romolo di Francesco per i suoi contributi scientifici e ci diamo appuntamento al prossimo articolo.

Per chiarimenti, segnalazioni ed altro è possibile contattare il sottoscritto a:

onorio@strutturista.com

Ing. Onorio Francesco Salvatore

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