Salvare un gigante millenario: come la tecnologia moderna sta proteggendo un’antica pagoda cinese sull’orlo del baratro

Amici, vi siete mai chiesti come facciano certi monumenti antichi a resistere alle intemperie e, soprattutto, ai terremoti? Io sì, un sacco di volte! E oggi voglio parlarvi di una storia affascinante che arriva dalla Cina, dove un team di ricercatori si è messo d’impegno per salvare una pagoda in mattoni vecchia di quasi mille anni, seriamente danneggiata e a rischio crollo. Pensate, un vero e proprio gigante ferito che porta su di sé secoli di storia!

Un’eredità preziosa ma fragile

Le antiche pagode in mattoni sono tesori che custodiscono un valore storico e culturale immenso. Però, immaginatevi cosa possono fare mille anni di vento, pioggia e, purtroppo, terremoti. Senza interventi di consolidamento mirati, queste meraviglie rischiano di sbriciolarsi al primo scossone un po’ più forte. Ecco perché è fondamentale studiare come proteggerle. E vi assicuro che la ricerca in questo campo è attivissima! Ci sono studi su moschee storiche in Turchia, su minareti in pietra, tutti volti a capire come farli resistere meglio ai capricci della Terra. Si esplorano materiali innovativi, come i polimeri fibrorinforzati (FRP), per migliorare la resistenza a trazione e taglio delle murature. È un po’ come dare una nuova spina dorsale a questi vecchietti di pietra e mattoni.

La protagonista: la Pagoda Ganying

La nostra eroina di oggi è la Pagoda Ganying. Costruita nel lontano 1165 d.C., originariamente svettava per 12 piani e 44,1 metri. Ma nel 1303, un violento terremoto le ha fatto crollare la parte superiore e, pensate un po’, l’ha letteralmente spaccata in due! Oggi ne restano sette piani, per un’altezza di 34,1 metri. Un vero miracolo che sia ancora in piedi, ma capite bene che la sua situazione è critica.
Per studiarla, i ricercatori hanno dovuto creare un modello numerico tridimensionale, semplificando alcuni dettagli vista la gravità dei danni. Hanno misurato tutto con precisione: lato esterno di 4,2 metri, lato interno di 1,6 metri. E poi, via con le simulazioni al computer!

Mettere alla prova la vecchia signora (virtualmente, s’intende!)

Per capire come si comporta la pagoda sotto stress, hanno usato un software potentissimo chiamato ABAQUS, capace di simulare grandi deformazioni e il comportamento di materiali particolari. Certo, non è una passeggiata: bisogna creare una “maglia” di elementi finiti (ben 35.985 in questo caso!) e definire le proprietà dei materiali. I mattoni della pagoda sono neri, tenuti insieme da malta: un materiale fragile, forte a compressione ma debole a trazione, un po’ come il calcestruzzo. Hanno persino fatto test su mattoni recuperati da restauri parziali per definire al meglio le loro caratteristiche.

Una volta pronto il modello “base” della pagoda danneggiata, è arrivato il momento di pensare a come rinforzarla. E qui entrano in gioco tre strategie, tre “casi” di studio.

Le tre ricette per la salvezza

Ecco le idee messe sul tavolo dai ricercatori, cercando anche di impattare il meno possibile sull’aspetto esteriore della pagoda:

• Caso 1: Un “corsetto” d’acciaio interno. Immaginate di costruire una sorta di nucleo portante in acciaio (chiamato SFCT, Steel Frame Core Tube) all’interno della pagoda, collegato alle pareti esistenti. Un po’ come dare uno scheletro nuovo e robusto alla struttura. L’acciaio scelto ha una tensione di snervamento di 235 MPa, roba tosta!
• Caso 2: Isolamento alla base. Questa è una tecnica moderna molto efficace. Si inserisce uno strato di isolatori sismici alla base della pagoda. In pratica, si cerca di “scollegare” la struttura dal terreno, così che l’energia del terremoto non si propaghi verso l’alto. Hanno previsto otto isolatori di tipo LRB800 (Lead Rubber Bearing, cuscinetti in gomma e piombo). Questo è l’intervento che meno “tocca” l’aspetto della pagoda.
• Caso 3: Il meglio dei due mondi. Semplicemente, combinare l’isolamento alla base (Caso 2) con il corsetto d’acciaio interno (Caso 1). Un approccio integrato, per così dire.

Come vibra la pagoda? L’analisi modale

Prima di simulare i terremoti, bisogna capire come la struttura “ama” vibrare, quali sono i suoi periodi naturali. Pensate a una corda di chitarra: ogni corda ha la sua nota. Lo stesso vale per gli edifici.
I risultati sono stati illuminanti:

• La struttura originale, essendo molto danneggiata, aveva un primo periodo naturale piuttosto lungo (0,958 secondi), segno di una rigidità ridotta. Soprattutto, era molto più “debole” in una direzione (chiamiamola X, perpendicolare alla frattura principale) rispetto all’altra (Y).
• Il Caso 1 (solo corsetto d’acciaio) ha reso la struttura più rigida, accorciando i periodi naturali (ad esempio, 0,788 secondi per il primo modo). Questo può essere un bene, ma anche un male: se il periodo della struttura si avvicina a quello dominante dell’onda sismica, l’effetto del terremoto potrebbe amplificarsi!
• I Casi 2 e 3 (con isolamento) hanno, come previsto, allungato significativamente i periodi naturali. Questo è ottimo, perché permette alla struttura di “schivare” le frequenze più pericolose del terremoto. La deformazione si concentra principalmente nello strato di isolamento.

Terremoti virtuali: l’analisi dinamica nel tempo

E poi, il momento della verità: simulare l’effetto di veri e propri terremoti. I ricercatori hanno selezionato sei diverse onde sismiche, rappresentative di terremoti vicini (con e senza impulsi) e lontani, caratterizzati da scuotimenti intensi e brevi o da componenti di lungo periodo. Hanno “sparato” queste onde contro i modelli della pagoda, originale e rinforzata.

Cosa hanno guardato? Principalmente tre cose:

• Forze di taglio alla base: Quanta forza il terremoto trasmette alla base della struttura.
• Accelerazioni ai piani: Quanto “forte” vengono scossi i vari piani. Se l’accelerazione è troppa, i mattoni possono staccarsi.
• Spostamenti relativi tra i piani (interstory drift ratio): Quanto un piano si sposta rispetto a quello sottostante. Se questo valore è troppo alto, la struttura rischia il collasso.

I risultati: chi vince la sfida?

Ve la faccio breve: le strategie basate sull’isolamento sismico (Caso 2 e Caso 3) si sono dimostrate nettamente superiori.
Il taglio alla base con l’isolamento si è ridotto drasticamente, in un caso fino al 78,8% in meno rispetto alla struttura originale! Il Caso 1 (solo acciaio), invece, in alcune simulazioni ha addirittura aumentato il taglio alla base, proprio a causa di quel cambiamento di rigidità e periodo che vi dicevo prima. Non proprio l’ideale.

Per quanto riguarda le accelerazioni, con i Casi 2 e 3, le accelerazioni in cima alla pagoda erano addirittura inferiori a quelle del terremoto al suolo! Questo significa che la pagoda si muoveva quasi come un blocco unico, traslando dolcemente sugli isolatori, con poche deformazioni. Al contrario, la struttura originale e quella del Caso 1 hanno mostrato amplificazioni significative, con il rischio concreto che i mattoni volassero via.

E gli spostamenti tra i piani? Anche qui, i Casi 2 e 3 hanno tenuto la situazione sotto controllo, mantenendo gli spostamenti entro limiti di sicurezza (stato elastico o al massimo leggermente plastico). Il Caso 3, con la combinazione di isolamento e nucleo in acciaio, è risultato il migliore in assoluto. La struttura originale e il Caso 1, invece, in molte simulazioni hanno superato la soglia di collasso (spostamento relativo maggiore di 1/150 dell’altezza del piano). Addirittura, il Caso 1, con certi terremoti “vicini”, ha peggiorato la situazione rispetto alla pagoda non rinforzata! Questo perché il suo periodo naturale ridotto lo ha reso più vulnerabile a quel tipo di scosse.

Dove si rompe? L’analisi dei danni

Un’analisi dei danni ha rivelato i punti deboli. Il vero tallone d’Achille della pagoda è l’arco d’ingresso sopra il secondo piano, soprattutto nella parte già collassata. Essendo la pagoda divisa in due metà superiori, quest’area si trova a dover sopportare e trasmettere sforzi enormi.
Nel Caso 2 (solo isolamento), pur con ottime prestazioni globali, si è visto un danno significativo proprio in quell’arco. Le due “metà” superiori non erano state rinforzate e continuavano a stressare quel punto.
Nel Caso 3 (isolamento + acciaio), l’introduzione del nucleo in acciaio ha risolto brillantemente questo problema, riducendo i danni all’arco.
Il Caso 1 (solo acciaio), pur limitando la propagazione del danno verso l’alto, concentrava gli sforzi alla base del nucleo in acciaio e nei punti di connessione con la muratura antica, causando lì danni maggiori rispetto alle soluzioni con isolamento.

Spingere fino al limite: l’analisi pushover

Infine, un’analisi “pushover” ha simulato cosa succede spingendo la struttura orizzontalmente fino al suo limite ultimo. Per i casi con isolamento, il limite è dato dalla deformazione massima che gli isolatori possono sopportare. Per gli altri, dal raggiungimento dello spostamento relativo di collasso.
Anche qui, il Caso 1 ha mostrato una capacità portante ultima molto superiore all’originale. Nei Casi 2 e 3, gli isolatori raggiungono il loro limite prima che la sovrastruttura ceda, e il Caso 3 mostra spostamenti interni minori del Caso 2, grazie al contributo del nucleo in acciaio.

Lezioni imparate e prospettive future

Cosa ci insegna tutta questa ricerca? Beh, prima di tutto che l’isolamento sismico è una strategia potentissima per proteggere strutture storiche danneggiate, soprattutto se combinato con rinforzi interni mirati come un nucleo in acciaio (il nostro Caso 3). Questo approccio “ibrido” sembra davvero la chiave.
È fondamentale capire che rinforzare semplicemente una struttura (come nel Caso 1) non è sempre la soluzione, specialmente per edifici già molto danneggiati e con una distribuzione delle rigidezze compromessa. Cambiare il periodo di vibrazione può, in certi casi, peggiorare la risposta ai terremoti, soprattutto quelli “vicini”. Non basta guardare alla resistenza statica, bisogna considerare la dinamica!
Certo, questo studio si è concentrato su una pagoda specifica. Serviranno altre ricerche su diverse tipologie di edifici e magari usando modelli ancora più sofisticati per simulare il comportamento dei materiali. E perché non usare algoritmi di intelligenza artificiale e machine learning per monitorare e proteggere ancora meglio il nostro patrimonio?
Insomma, salvare questi giganti del passato è una sfida complessa, ma la tecnologia e l’ingegno umano ci offrono strumenti sempre più efficaci. È un modo per onorare la nostra storia e prenderci cura delle meraviglie che ci sono state tramandate. E io trovo tutto questo incredibilmente affascinante, voi no?

Fonte: Springer Nature