Le pagode del Giappone sono tra le strutture tradizionali più affascinanti dal punto di vista ingegneristico: alte fino a 50 metri, realizzate interamente in legno, hanno resistito per oltre mille anni ai frequenti terremoti dell’arcipelago nipponico.
In quest’articolo analizzeremo nel dettaglio le tradizionali pagode giapponesi dal punto di vista strutturale, svelando il ruolo fondamentale dello shinbashira, un elemento costruttivo che ha permesso a queste costruzioni di resistere a violenti terremoti, giungendo intatte fino ai nostri giorni.
Nel corso dell’articolo analizzeremo la risposta sismica delle pagode alla luce dei risultati dell’analisi sismica eseguita su modelli di calcolo ad elementi finiti (FEM). Alla fine dell’articolo potrai scaricare l’articolo scientifico da cui sono tratti i risultati delle analisi strutturali condotte sulle pagode e citati in questo post. Buona lettura.
Pagoda giapponese: origine e caratteristiche costruttive
La tipologia costruttiva della pagoda ha origine in Cina (I-II secolo d.C.), si diffonde poi in Corea nel IV secolo d.C. e approda infine in Giappone attorno alla metà del VI secolo d.C. La più antica pagoda esistente in Giappone è quella del tempio Hōryū-ji, costruita intorno al 607 d.C. e considerata la più antica struttura lignea multipiano del mondo ancora in piedi, riuscendo a resistere per più di 1400 anni ad innumerevoli eventi sismici.
Le pagode giapponesi hanno generalmente 3 o 5 piani, sono più rari esempi con 7 o più piani. Sono realizzate prevalentemente in legno. Le connessioni fra i diversi elementi strutturali avvengono mediante incastri, senza l’utilizzo di connessioni metalliche quali bulloni o chiodi.
Le pagode hanno la funzione di custodire reliquie sacre buddhiste e sono progettate per essere ammirate solo dall’esterno. Non sono accessibili ai fedeli e non hanno una scala interna di collegamento fra i vari piani. Le aperture presenti sono simboliche, realizzate solo per garantire la manutenzione della struttura.
Shinbashira: il segreto delle pagode per resistere a terremoti di forte intensità
Ma come hanno fatto le pagode giapponesi a resistere indenni agli innumerevoli eventi sismici che da secoli scuotono il terreno dell’arcipelago nipponico? Uno dei motivi che ha determinato l’eccezionale capacità delle pagode di resistere ai terremoti è un elemento costruttivo collocato in corrispondenza dell’asse di queste costruzioni. I giapponesi lo chiamano shinbashira.
Lo shinbashira (letteralmente“pilastro del cuore”) è una colonna continua, realizzata in legno di cipresso, che attraversa l’asse centrale della pagoda, estendendosi dalla fondazione al tetto. A differenza delle altre colonne della struttura che hanno lo scopo di scaricare in fondazione i carichi verticali, lo shinbashira non è collegato a tutti i piani della pagoda, ma solitamente è sospeso agli ultimi due piani.
La sezione dello shinbashira è di forma circolare o poligonale con angoli smussati e il suo diametro varia fra 25–40 cm per pagode a 3 piani, 35–60 cm per pagode a 5 piani, fino a 70–80 cm per strutture monumentali (ad esempio la pagoda Hōryū-ji).
Shinbashira: perché rende le pagode resistenti al sisma
L’efficacia dello shinbashira nel conferire resistenza sismica alla struttura risiede nella sua capacità di oscillare in maniera indipendente rispetto ad essa. Durante un terremoto, il movimento del terreno fa oscillare l’edificio, lo shinbashira invece oscilla in controfase, come un pendolo.
Questo movimento oscillatorio contribuisce a ridurre gli spostamenti laterali della costruzione generati dalle accelerazioni alla base. Esso assorbe e dissipa l’energia sismica in ingresso, riducendo sensibilmente la risposta sismica della struttura in termini di spostamento e sollecitazioni.
Lo shinbashira non porta carichi verticali, quindi il suo diametro non dipende da esigenze portanti statiche, ma serve solo come massa oscillante. Si tratta in sostanza dell’antenato del Tuned Mass Damper, ovvero lo smorzatore a massa accordata che ritroviamo nel Taipei 101 a Taiwan e in numerosi grattacieli di moderna costruzione. I costruttori di pagode avevano ideato questa strategia di difesa dal sisma ben 1400 anni fa.
Shinbashira: il suo collegamento alla base
Il collegamento alla base dello Shinbashira varia a seconda dell’epoca e della tecnica costruttiva, ma in generale può essere sospeso dal tetto nelle pagode più antiche oppure appoggiato al terreno.
La soluzione più famosa e studiata è quella della pagoda del Hōryū-ji (VII secolo), dove lo shinbashira non tocca il suolo: è collegato al di sotto del tetto e passa verticalmente attraverso i piani. Nelle versioni sospese, la parte terminale dell’elemento è alloggiata in un pozzetto o in un foro nel basamento in cui può oscillare liberamente.
In altre versioni (più recenti), lo shinbashira è appoggiato su una base in pietra o una piattaforma in legno, con connessione per semplice gravità. In quest’ultima versione lo shinbashira è in grado di dissipare ulteriore energia in ingresso grazie all’attrito contro la superficie su cui è libera di scorrere la sua estremità.
Resistenza sismica delle pagode: caso studio e modellazione FEM
Nel seguito dell’articolo voglio mostrarti i risultati di un caso studio prodotto dall’Università di Tokyo avente come obiettivo quello di valutare la capacità sismica di una pagoda in legno a cinque piani di nuova costruzione, l’Eimyou-in Gojyu-no-to, mediante l’analisi di due modelli strutturali:
- un modello a telaio piano per l’analisi statica non lineare (analisi pushover). Questo modello rappresenta la struttura esterna e interna della pagoda e simula la semi-rigidità delle giunzioni a incastro tra travi e colonne;
- un modello a masse concentrate (MDOF) per l’analisi dinamica della risposta sismica.
L’analisi della risposta sismica con il modello a masse concentrate è stata condotta utilizzando accelerogrammi normalizzati rappresentativi di un periodo di ritorno di 800 anni dell’evento sismico. Le analisi eseguite hanno dimostrato che, grazie anche all’effetto smorzante dello shinbashira, la pagoda oggetto di studio è in grado di resistere a terremoti con periodo di ritorno pari a 800 anni.
A scopo di confronto ti ricordo che le NTC2018, per edifici in classe d’uso II, con vita nominale pari a 50 anni, allo SLV prescrivono un periodo di ritorno per l’azione sismica pari a 475 anni. Circa la metà del periodo di ritorno utilizzato per l’analisi sismica della pagoda.
Scarica il caso studio sull’analisi sismica della pagoda giapponese
Il caso studio citato nel precedente paragrafo è tratto da una pubblicazione scientifica dell’Università di Tokyo presentata alla 13a World Conference on Earthquake Engineering tenutasi a Vancouver (Canada) nel 2004. Nel documento viene riportata la descrizione dettagliata dei modelli di calcolo utilizzati e dei risultati ottenuti dalle analisi.
Per approfondire il tema trattato puoi scaricare gratuitamente il documento pdf originale compilando i campi qui sotto. Riceverai all’istante una mail contenente il link per eseguire il download.
Lo shinbashira nelle strutture moderne: la Tokyo Skytree
Nonostante lo shinbashira appartenga ad una tecnica costruttiva risalente a più di mille anni fa, risulta essere un elemento strutturale ancora attualissimo nell’ingegneria contemporanea e lo si può ritrovare sorprendentemente, in versione aggiornata ed ottimizzata, nelle grandi strutture moderne.
Un esempio lampante è la Tokyo Skytree con i suoi ben 634 m di altezza, completata nel 2012, anno in cui ha raggiunto il primato di torre più alta del mondo. Nel suo asse centrale è posizionato l’equivalente moderno dello shinbashira: un pilastro a sezione cava cilindrica realizzato in calcestruzzo armato e collegato mediante smorzatori viscosi alla struttura metallica della torre nel tratto compreso fra quota 125 m e quota 375 m.
Il pilastro centrale non è rigidamente connesso alla fondazione, ma collegato tramite dispositivi di isolamento e dissipazione sismica che ne permettono il movimento relativo rispetto alla torre esterna e al basamento.
Conclusioni
La pagoda giapponese rappresenta un esempio affascinante di struttura sismo-resistente, capace di attraversare indenne intensi terremoti nel corso dei secoli. L’adozione di un pilastro centrale non portante (shinbashira) è in grado di ridurre la risposta sismica della costruzione, senza ricorrere ad elementi strutturali che dissipano energia tramite il danneggiamento.
Il caso studio riportato in quest’articolo ha dimostrato che strutture in legno realizzate secoli fa, con altezze che possono arrivare fino ai 50 metri, sono in grado di resistere ad eventi sismici con periodi di ritorno di ben 800 anni, grazie anche all’effetto smorzante dello shinbashira.
Nonostante lo shinbashira sia un elemento costruttivo appartenente a costruzioni realizzate migliaia di anni fa, continua ad essere un’attuale e valida soluzione fra le strategie di difesa dal sisma anche nell’ingegneria moderna.
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Al prossimo post.
Marco
Codice articolo: 262
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