LA PROGETTAZIONE ANTISISMICA DELLE STRUTTURE DELLA NUOVA ALA DEL MUSEO ARCHEOLOGICO DI NAPOLI.

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1 LA PROGETTAZIONE ANTISISMICA DELLE STRUTTURE DELLA NUOVA ALA DEL MUSEO ARCHEOLOGICO DI NAPOLI. ASEISMIC STRUCTURAL DESIGN OF THE NEW SECTION OF THE ARCHAEOLOGICAL MUSEUM IN NAPLES. Edoardo Cosenza Università degli Studi di Napoli Federico II Dipartimento di Analisi e Progettazione Strutturale Napoli, Italia; cosenza@unina.it Massimo Acanfora Consorzio T.R.E. Tecnologie per il Recupero Edilizio massimo.acanfora@consorziotre.it ABSTRACT The design of the new section of the archaeological museum of Naples is described. Two main architectural requests govern the structural design: the need for a large volume into which had to be allocated an auditorium along with three upper levels for museal use, and the need to obtain thin floors to preserve the height of the ancient façade. Thus the use of a steelconcrete composite system for the horizontal parts was decide. The vertical loads are beared by small-section steel columns and the seismic loads are beared by concrete shell-elements whose shape and dimensions are ruled by the architectural design of the auditorium. The entire design and calculation has been carried out according the new Italian seismic and composite steel-concrete provisions: Ordinanza 3274 and Istruzioni CNR 10016/2000. The work describes the main design choices, the structural modelling and the main structural details. The whole structural design confirms the great structural flexibility of the steelconcrete composite system. SOMMARIO Viene descritta la progettazione della nuova ala del Museo Archeologico di Napoli. Le esigenze architettoniche, in particolare la necessità di avere un ampio volume dedicato ad auditorium con tre livelli superiori ad uso museale, e contemporaneamente la necessità di ottenere solai sottili per conservare l antica facciata, hanno suggerito l uso del sistema composto acciaio-calcestruzzo per tutte le parti orizzontali; i carichi verticali sono affidati a colonne in acciaio di dimensioni ridotte e le azioni sismiche sono sopportate da setti in cemento armato, con forma e sviluppo in altezza governati dal disegno architettonico dell auditorium. La progettazione è stata interamente condotta seguendo l Ordinanza 3274 e le Istruzioni CNR 10016/2000. Il lavoro presenta in dettaglio le scelte progettuali, la modellazione strutturale, i dettagli costruttivi principali. Complessivamente la progettazione conferma la grande flessibilità strutturale del sistema composto acciaio-calcestruzzo. 1. INTRODUZIONE Il presente lavoro riassume i principali aspetti connessi alla progettazione strutturale delle opere da realizzare nell ambito della ristrutturazione del c.d."braccio Nuovo" del Museo Archeologico di Napoli. L area su cui sorgerà il nuovo manufatto alle spalle del Museo Archeologico attuale, si ottiene in particolare sia dalla demolizione delle strutture interne del corpo di fabbrica, di cui sarà conservata e restaurata la facciata originaria, sia attraverso l arretramento del terrapieno retrostante. La struttura si presenta complessa, in quanto è previsto un auditorium al livello inferiore, con due piani di uffici museali superiori. In copertura è previsto un ulteriore auditorium all aperto.

2 Si è deciso di progettare la struttura seguendo l Ordinanza 3274 e successive modifiche [1]; stante i notevoli vincoli architettonici si è deciso che la soluzione ottimale fosse di affidare le azioni sismiche a setti in cemento armato; inoltre, per avere una soluzione leggera e resistente, le strutture rimanenti sono tutte composte acciaio calcestruzzo. Si sono pertanto usate le istruzioni CNR 10016/2000 [2,3], esplicitamente consentite dall Ordinanza. In particolare l edificio si sviluppa per quattro livelli, oltre la copertura, lasciando libero al centro un grande volume nel quale troverà posto l auditorium. La forma architettonica dell auditorium genera automaticamente i setti in cemento armato di irrigidimento; al di sopra, mantenuti da travi composte acciaio-calcestruzzo di grande luce, vi saranno ulteriori 3 impalcati. Sulla copertura dell edificio, inoltre, sarà realizzato l auditorium all aperto realizzato completamente in carpenteria metallica. La molteplicità e la complessità delle opere strutturali in acciaio, in cemento armato e composte acciaio-calcestruzzo, che si incrociano con le problematiche architettoniche e impiantistiche hanno richiesto un approccio alla progettazione integrato. La progettazione complessiva è dovuta al Soprintendente BAPPSAE di Napoli e provincia Enrico Guglielmo. La consulenza architettonica è dovuta a Massimo e Monica Pisani, mentre quella impiantistica a Valerio Mangoni. La consulenza strutturale, che ha riguardato l ideazione della soluzione e il calcolo, è stata svolta dagli scriventi. 2. DESCRIZIONE DELLA STRUTTURA Tutta la progettazione, tanto architettonica quanto strutturale, è stata fortemente condizionata dalla volontà di conservare la facciata originaria del Braccio Nuovo; questo ha comportato la necessità di avere degli impalcati a quote prestabilite, vani esterni di forma e posizione assegnata con la conseguente necessità di contenere al massimo gli spessori dei solai, per i quali è stata scelta una soluzione composta acciaio e calcestruzzo; i pilastri devono avere dimensioni ridotte per problemi di utilizzazione degli spazi, pertanto si è scelta una soluzione metallica. Vi è inoltre la necessità di solai forati, per problemi sia compositivi che impiantistici. Complessivamente, da un punto di vista strutturale, si evidenziano più manufatti, quali l auditorium interno piano terra, l anfiteatro superiore di copertura, l edificio. Di questi solo l anfiteatro inferiore, del tutto indipendente, è interamente in c.a., le restanti sono interamente in acciaio, o composte acciaio e calcestruzzo. Di seguito ci si concentrerà sulle strutture dell edificio, dando solo dei cenni su alcune delle restanti opere. La struttura presenta il sistema di risposta delle azioni sismiche costituito da pareti in c.a.; detta x la direzione lunga dell edificio si rilevano lungo essa due setti molto estesi che delimitano l auditorium e su cui scarica la relativa copertura, uno dei quali si arresta per motivi architettonici al 3 impalcato dando vita a delle rilevanti irregolarità strutturali che producono effetti torsionali fronteggiati dai setti disposti lungo y all estremità dell edificio. Lungo la direzione y si rilevano i suddetti setti, distanziati di 70 metri ed altri quattro setti ai lati delle scale. La scelta di avere due grandi setti molto centrifugati è finalizzata alla minimizzazione degli effetti torsionali dovuti sia alle caratteristiche intrinseche della struttura sia alle eccentricità accidentali che in tale maniera possono essere trascurate. La scelta progettuale di affidare le azioni sismiche sostanzialmente ai setti, esistenti per motivi architettonici, ha guidato naturalmente la progettazione verso la Classe di duttilità B. Infatti la resistenza dei setti risulta molto grande, e ciò esclude di poter dimensionare la fondazione secondo la gerarchia delle resistenze. In altri termini non è conveniente progettare le fondazioni per le resistenze dei setti, bensì per le sollecitazioni effettivamente trasmesse dagli stessi. Ciò è tipico delle strutture in Classe di duttilità B.

3 3. IL MODELLO DI CALCOLO La struttura è stata interamente modellata agli elementi finiti con un tradizionale solutore. Tutte le colonne e le travi metalliche sono costituite da elementi beam, i setti da elementi shell connessi alle travi, nella maggioranza dei casi, attraverso dei nodi continui per i quali è stato attentamente curato il collegamento anche in fase di modellazione, facendo proseguire le travi per un numero di nodi opportuno all interno del setto stesso, per il rispetto della congruenza tra i due elementi aventi diverse funzioni di forma. Il modello dinamico della struttura è stato sviluppato portando in conto ai primi due impalcati la presenza del grande vuoto che deve ospitare l auditorium, il quale costringe la soletta a ridursi drasticamente nel proprio piano. Questo problema è accentuato per la concentrazione degli effetti sismici causata dalla presenza dei setti: si è ritenuto allora di modellare l i mo impalcato considerato con due parti che lavorano, ciascuno, come un corpo rigido nel proprio piano, elasticamente collegate tra loro dalla soletta con le effettive caratteristiche geometriche e meccaniche; ciò ha consentito di ricavare le sollecitazioni nel proprio piano per la corrispondente verifica con le azioni di piano opportunamente amplificate. Per gli altri impalcati è stato utilizzato un modello di piano rigido. Il modello è riportato nella figura 1. Fig. 1: Vista piana (sopra) con evidenza del volume interno che ospita l auditorium e vista tridimensionale (sotto) dell edificio del museo dal lato anteriore.

4 Il primo modo della struttura presenta un periodo T=0.36 secondi circa; data l irregolarità della struttura, per eccitare la quasi totalità delle masse è stato necessario portare in conto ben 18 modi di vibrazione, con i quali si ha più del 90% di masse partecipanti. Uno degli aspetti più rilevanti è rappresentato dal solaio di copertura dell auditorium, costituito dal terzo impalcato dell edificio. Esso presenta una luce complessiva di circa 20 metri ed ospita le strutture portanti dei piani superiori attraverso le colonne metalliche che vengono connesse alle travi principali della struttura in esame; indirettamente, su di esso scarica anche l anfiteatro all aperto posto sulla copertura dell edificio. Per motivi architettonici la struttura dell impalcato in esame è stata realizzata con sezione variabile seguendo da un lato la distribuzione delle sollecitazioni, dall altro la forma altimetrica della cavea dell auditorium. Per omogeneità, per la necessità di contenere lo spessore e per problematiche di carattere esecutivo (il terzo impalcato è a quota 7,50 metri rispetto al piano sottostante) si è scelto di realizzare anche questo elemento con una soluzione composta. Le travi in acciaio, la cui sezione varia tra HE550B e HE300M, sono connesse ad una soletta superiore in conglomerato di 30 cm. La luce massima della trave è di circa 20 m posta su tre appoggi, con le due campate di 17 m e di 3 m, anche se leggermente variabili per la presenza del setto curvo, che segue l andamento dell auditorium e che funge da appoggio intermedio; l appoggio terminale, verso la facciata del Braccio Nuovo, è stato inserito per contenere la deformabilità della parte che altrimenti sarebbe stata a sbalzo con spostamenti verso l alto incompatibili per le condizioni di esercizio; esso è realizzato, come i restanti pilastri, con colonne metalliche HE220B. Sulle travi in acciaio, poste ad un interasse di 225 cm, poggia il solaio più le colonne in elevazione ad interasse di 450cm nelle due direzioni ortogonali. Strutturalmente l impalcato si completa con un traverso in acciaio rigido che, con un interasse di 450 cm, collega efficacemente tutte le travi, individuando così un reticolo in pianta a maglia rettangolare. Lo scopo fondamentale del traverso è quello di ripartire il più possibile le azioni concentrate dalle colonne in elevazione, che scaricano sulla copertura dell auditorium, su tutte le travi, essendo esse caricate dai piani superiori alternativamente. A tale scopo, e per la progettazione del traverso, è stata modellata specificamente una parte significativa dell impalcato. Il traverso è realizzato mediante un sistema a travatura reticolare con nodi cerniera, chiamando così in gioco la rigidezza estensionale del sistema. Le aste utilizzate, sia per i correnti superiori, inferiori e i diagonali, sono degli angolari L 90x90x13 saldati tra loro e posti ai lati delle colonne in elevazione. Particolarmente complesso è stato lo studio dei collegamenti, sia del traverso alla trave metallica principale, sia delle colonne superiori all impalcato composto acciaio calcestruzzo, per i quali si rimanda alla parte dedicata ai dettagli costruttivi. Per le difficoltà realizzative si è Fig. 2: Modello di calcolo del traverso

5 scelta la modalità costruttiva con travi non puntellate, considerando gli effetti conseguenti sia in termini di resistenza che in termini di deformabilità. La presenza di colonne sospese all impalcato di copertura dell auditorium richiede la necessità di portare in conto anche gli effetti del sisma sussultorio, sul quale si ritornerà successivamente. Un problema particolarmente rilevante, conseguenza ancora una volta dei piani superiori sospesi all impalcato in questione, sono i notevoli effetti distorcenti che si registrano nelle zone di bordo, ovvero di collegamento delle aree con colonne continue fino alle fondazioni; l analisi del comportamento locale delle strutture, prevalentemente per carichi verticali, ha suggerito soluzioni specifiche per ogni caso in merito ai sistemi di connessione tra le varie membrature che tengono conto anche delle fasi transitorie, ovvero delle fasi di montaggio; ciò ha consentito di seguire il comportamento della struttura in maniera più rigorosa, evidenziando molte situazioni in cui le forti distorsioni rilevate erano esclusivamente teoriche. L anfiteatro superiore, in carpenteria metallica, è stato riprodotto solo in termini di azioni sulla copertura. Ciò è stato possibile, da un punto di vista dinamico, perché la struttura metallica in copertura presenta una notevole differenza, in termini di frequenza principale, con l edificio sottostante (f an. 5 f ed. ); l anfiteatro superiore è quindi stato modellato separatamente rispetto all edificio, amplificando l azione sismica gravante su di esso per tenere conto dell aumento dell ampiezza delle oscillazioni rispetto alla situazione di base fissa al suolo. Il modello mediante il quale è stato simulato il comportamento dell anfiteatro è un sistema reticolare spaziale realizzato mediante l assemblaggio di aste, colonne, travi, controventi verticali e di falda incernierate tra loro. Le azioni orizzontali sono contrastate dai controventi verticali. Le aste diagonali dei controventi sono state progettate nell ipotesi che solo la diagonale tesa sia attiva. 4. LE AZIONI DI PROGETTO I carichi verticali applicati derivano ovviamente dalle varie destinazioni d uso presenti. Nell edificio troveranno posto laboratori di restauro, locali caffetteria e snack-bar, una biblioteca specializzata, una fototeca, locali destinati all allestimento di mostre o alla sezione didattica. I carichi considerati variano quindi da un minimo di 300 dan/m 2 ad un massimo di 600 dan/m 2 con funzione permanente dei vari spazi. Le azioni sismiche sono relative alla zona sismica 2, secondo la recente riclassificazione avvenuta per il Comune di Napoli. L analisi sismica è eseguita con lo spettro di risposta coerentemente a quanto previsto nell Ordinanza 3274 e successive modificazioni. Essendo le strutture sismoresistenti costituite da setti in c.a., ed avendo scelto una condizione di bassa duttilità (CD B ), il fattore di struttura prescelto, che consente di ridurre le azioni previste rispetto al comportamento elastico della struttura sotto quell azione, vale 2,69, infatti: q=q o K D K R α u /α 1 =4 0,7 0,8 1,2 = 2,69. Per quanto concerne il sisma verticale si assume indistintamente q=1,5 per la ridotta capacità dissipativa delle strutture sollecitate prevalentemente in regime estensionale. I massimi valori degli spettri orizzontali rispettivamente allo SLU ed allo SLD valgono: S a = a g S 2,5 γ I /q= 0.349g ; S a = a g S γ I =0.375g

6 Le due componenti delle azioni sismiche orizzontali sono state combinate sommando il 30% delle azioni nella direzione trasversale a quella considerata; il risultato si combina poi con le azioni verticali. Lo SLD risulta ampiamente verificato avendo un sistema a setti estremamente rigido, con interstory drift molto inferiore del limite prescritto (d r <0,005 h). L analisi con lo spettro di progetto verticale è stata trascurata nel modello globale in quanto l accelerazione verticale corrisponde a circa 0,45 g, e quindi circa 1/3 delle massime azioni verticali previste nella condizione statica SLU; inoltre il sistema strutturale resistente alle azioni verticali è sostanzialmente disaccoppiato da quello resistente alle azioni orizzontali. 5. ALCUNI PARTICOLARI COSTRUTTIVI Nel seguito si riportano i dettagli dei principali collegamenti scelti per la connessione delle opere di carpenteria metallica agli elementi in conglomerato cementizio armato, e dell assemblaggio degli elementi di carpenteria metallica tra loro. Per gli elementi composti acciaio calcestruzzo ci si è interamente riferiti alla CNR 10016/2000. Tutte le travi della struttura sono del tipo composto a completo ripristino e si collegano alle colonne attraverso un nodo continuo saldato; le travi secondarie (IPE160), su cui poggia il solaio, sono collegate con un nodo cerniera alle travi principali (IPE200). Il solaio è progettato con lamiera grecata hi-bond tipo A55/P 600 con spessore 1 mm, e soletta superiore di 5 cm, salvo situazione particolari in cui si è scelto una soletta piena per avere maggiore rigidezza e resistenza soprattutto nel proprio piano. Il sistema di trasferimento dell azione composta è costituito da connettori a piolo tipo Nelson saldati direttamente alle flangie degli elementi di carpenteria metallica; la scelta di questo tipo di connessione è derivata dalla volontà di ottenere un sistema di connessione duttile, e dai buoni risultati che le relative prove sperimentali, negli anni, hanno fornito. Il collegamento delle travi metalliche alle membrature in c.a. è stato eseguito attraverso una piastra terminale con tirafondi da posizionare con dima all interno dei getti; l ancoraggio è stato calcolato con le indicazioni dell Eurocodice 2 [4]. I collegamenti più complessi riguardano l impalcato di copertura dell auditorium, di cui nelle fig. 3 e 4 si riportano la sezione longitudinale e trasversale. Da esse si evince la variabilità della sezione, le colonne che poggiano su di esso proseguendo per altri due piani e i setti in c.a. su cui appoggiano. Fig. 3: Sezione longitudinale dell impalcato di copertura dell auditorium Fig. 4: Sezione trasversale dell impalcato di copertura dell auditorium

7 La variabilità della sezione consente di aumentare la resistenza per momento positivo, ma anche di utilizzare una maggiore altezza nella zona dell auditorium dove ciò è possibile. La trave è stata concepita per essere realizzata in tre parti distinte, di maggior trasportabilità. Si ricorda inoltre che la presenza dello sbalzo è voluta, in modo da avere un momento negativo, portato con apposita armatura dolce, che fa diminuire il momento positivo e le frecce in campata. In definitiva, considerando anche la presenza del traverso, la struttura si presenta più affine ad una travata da ponte che non ad una tradizionale trave di edificio. Il collegamento delle colonne superiori alla copertura dell auditorium (Fig. 5) è stato studiato in modo da trasferire anche le azioni flettenti, senza indurre effetti distorcenti a carattere locale alle travi sottostanti, per evitare di avere per la colonna un sistema pendolare; la colonna presenta un piatto terminale saldato con due fori asolati per il posizionamento sulla trave alla quota prestabilita (terzo impalcato) attraverso dei bulloni Φ16; successivamente il piatto viene saldato alla flangia superiore della trave e, insieme ai connettori preventivamente saldati sulla colonna, poi annegati nella soletta di calcestruzzo, consente di realizzare un nodo continuo come assunto nella modellazione per il migliore comportamento che in tale maniera la struttura presenta. Il traverso è costituito da una coppia di travi reticolari identiche poste ai lati della colonna, e presenta il corrente superiore passante sulla flangia superiore della trave in modo da aumentare l altezza della trave reticolare medesima e di migliorare la connessione locale con il calcestruzzo della soletta, essendo inglobata nel corrispondente getto. Per la distribuzione dello spazio compositivo, il setto in c.a. anteriore (lato facciata) non sostiene tutto l impalcato del terzo livello; la sua estensione si arresta in corrispondenza dei vani di accesso all auditorium, per cui la restante parte dell impalcato in questione poggia su quattro colonne in c.a. che resteranno a vista (due per lato in posizione simmetrica). Fig. 5: Dettaglio del collegamento della colonna metallica alla trave del terzo impalcato (a sinistra); dettaglio del collegamento del traverso alla trave del terzo impalcato (a destra) Particolarmente complesso è risultato lo studio del collegamento delle travi composte sulle colonne suddette per i fortissimi carichi concentrati trasmessi e la notevole altezza delle medesime che, da spiccato fondazione raggiungono direttamente il piano in oggetto alla quota di 7,5 metri circa; ai problemi di tensioni di contatto, della snellezza dell elemento, della trasmissione dell azione orizzontale alle colonne, si sono aggiunti problemi di carattere esecutivo e di resistenza flessionale dell elemento che hanno suggerito di realizzare un collegamento cerniera che consentisse alle travi di ruotare liberamente sulla colonna; il particolare è riportato nella figura 6. Nella stessa figura sono riportati i particolari dei connettori a piolo Φ22 per le travi di copertura dell auditorium, Φ16 per le restanti travi composte.

8 Fig. 6: Dettaglio del collegamento della trave del terzo impalcato alla colonna in c.a.(a sinistra); dettaglio del collegamento dei connettori alle travi metalliche (a destra) 6. OSSERVAZIONI CONCLUSIVE La progettazione del nuovo braccio del museo archeologico di Napoli rappresenta uno dei primi casi di applicazione congiunta della nuova norma sismica e delle istruzioni CNR La complessità architettonica, con grandi luci ma anche necessità di spessori ridotti, esalta le caratteristiche del sistema composto acciaio-calcestruzzo. Inoltre la corretta osservazione dell Ordinanza secondo cui le azioni verticali vanno ridotte e non amplificate in presenza di sisma, consente di non sovradimensionare le fondazioni. Il progetto che complessivamente si genera, presenta una soluzione rispettosa dei numerosi vincoli architettonici ed impiantistici, mantenendo però una notevole snellezza degli elementi. Particolarmente complessa è la progettazione della copertura dell auditorium, con le colonne superiori ad esso solidali, che sfrutta a pieno le potenzialità del sistema composto acciaio-calcestruzzo [5]. Inoltre il progetto, nel suo complesso, evidenzia la possibilità di ricercare soluzioni progettuali innovative anche con l applicazione e lo studio di materiali tradizionali, attraverso una loro opportuna e studiata integrazione che riesca a soddisfare anche esigenze di carattere compositivo ed impiantistico. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI [1] PCM - Dipartimento Protezione Civile, Ordinanza 3274 del 20 Marzo 2003; aggiornata con Ordinanza 3431 del 3 Maggio [2] Istruzioni CNR 10016/2000 Strutture composte di acciaio e calcestruzzo, istruzioni per l impiego nelle costruzioni (Bollettino Ufficiale CNR n. 194 Anno XXXIV). [3] E. Cosenza, M. Pecce, Le costruzioni metalliche acciaio-calcestruzzo: le nuove istruzioni CNR 10016, Atti delle giornate Italiane della Costruzione in acciaio, XVII CTA, Napoli, 3-5 Ottobre [4] EUROCODE 2, Design of concrete structures Part 1-1: General rules, and rules for buildings EN , December, [5] E. Cosenza, R. Zandonini, Le strutture composte acciaio-calcestruzzo, in Ingegneria delle Strutture (E. Giangreco ed.), Vol. III, cap. XVII, UTET, 2002.