Ing. Egisto GRIFA

Grifa & Cuccatto Associati

www.grifa-cuccatto.it

studioassociato@grifa-cuccatto.it

 

Abstract. Nella memoria verranno prese in considerazione le caratteristiche architettoniche di alcune tipologie di costruzioni ospedaliere in rapporto al modello organizzativo-distributivo adottato, analizzandone gli aspetti morfologici nell’ottica della sicurezza sismica ed illustrandone le problematiche e le possibili soluzioni. Il tema verrà trattato sia in rapporto alla scala dimensionale dell’intervento che ad alcune nozioni strutturali di natura intuitiva più significative, quali la simmetria, la densità strutturale di pianta e la resistenza perimetrale. Infine saranno presentati casi di studio di letteratura tecnica e tre progetti realizzati dall’autore.

Introduzione

Nel corso della storia dell’architettura ospedaliera sono stati privilegiati di volta in volta gli aspetti simbolici, quelli formali e architettonici, gli aspetti funzionali e quelli distributivi, a fianco di un progressivo sviluppo della scienza medica. Oggi si tende a pensare all’ospedale come a un luogo di efficienza terapeutica, ovvero a una macchina per guarire, più che a una espressione architettonica.

Le esigenze terapeutiche, le tecnologie medicali, la gestione organizzativa ed economica dell’offerta di salute, e nel contempo la consapevolezza di dover offrire al paziente e al visitatore il necessario comfort in un contesto piacevole ed accogliente, hanno determinato i requisiti che i vari modelli ospedalieri debbono avere in rapporto alle funzioni in essi presenti. In particolare, negli ultimi decenni si è sviluppata un’architettura ospedaliera che ha espresso un’ampia varietà di soluzioni morfologiche e tipologico-organizzative.

Gli eventi sismici occorsi recentemente nel nostro paese hanno tuttavia spostato l’attenzione verso problematiche che parevano sottovalutate, rivelando situazioni di insospettata non sostenibilità dal punto di vista della sicurezza.

L’architettura sismica

L’architettura, e quella ospedaliera in particolare, deve rispondere a requisiti di flessibilità spaziale, che consentano di far fronte alle esigenze più diverse; necessaria per la flessibilità è la indifferenziazione delle aree, per poterne modificare la destinazione d’uso anche in tempi successivi alla progettazione. In questo contesto spaziale è determinante la scelta e il dimensionamento della maglia strutturale, che consente di progettare per moduli, nell’ottica appunto della flessibilità. Anche in termini di efficienza sismica l’organismo edilizio dipende dallo schema strutturale, il quale a sua volta è correlato alla morfologia architettonica dell’edificio e quindi ancora al sistema della maglia strutturale.

A volte tuttavia accade che la soluzione strutturale sia obbligata a sovrapporsi e adattarsi ad una morfologia architettonica già definita, che non lascia spazio alla possibilità di variazioni. Ne consegue che una soluzione corretta in termini di distribuzione spaziale può non essere appropriata in termini di sicurezza sismica.

Un atteggiamento corretto verso questo problema richiede di esaminare l’edificio nella sua globalità, in un discorso di progettazione integrata. Esiste una scuola di pensiero che ritiene che la resistenza sismica debba essere ottenuta mediante soluzioni di ingegneria strutturale e pertanto non debba necessariamente influenzare l’architettura. Un secondo approccio, più espressivo ed interessante, ritiene invece che la resistenza sismica di un edificio non si debba basare solo sulla modulazione delle rigidezze degli elementi strutturali, ma vada ricercata a monte, nella scelta della morfologia dell’edificio: questo approccio può essere definito di architettura sismica.

Le basi concettuali e l’espressione architettura sismica sono state introdotte per la prima volta da Arnold e Reitherman (1985). Nell’analisi da loro condotta vengono evidenziati alcuni parametri morfologici che costituiscono i principi dell’architettura sismica e che possono essere riepilogati nei punti seguenti.

Le dimensioni globali di un edificio sono i parametri principali per la determinazione del grado di sicurezza sismica. In particolare, un’altezza elevata può causare grandi forze di ribaltamento, generando deformazioni non compatibili con le esigenze di operatività di un edificio ospedaliero. Inoltre sul perimetro dell’edificio possono manifestarsi grandi forze di piano. Se le dimensioni sono eccessive può essere sufficiente rivedere le proporzioni dell’edificio, o introdurre giunti sismici.

La compattezza e la regolarità distributiva e morfologica, sia in orizzontale che in verticale, sono fondamentali: le forme irregolari inducono effetti torsionali, eccentricità e variazioni di rigidezze, causando concentrazione di sforzi nei punti di variazione, periodi di vibrazione diversi per le diverse parti dell’edificio, discontinuità nel percorso dei carichi. Si può verificare una carenza di compattezza anche in forme regolari e simmetriche, quali le piante rettangolari fortemente sproporzionate nelle due dimensioni.

La simmetria, unitamente alla compattezza, ribadisce il principio della semplicità di forma, richiamato da tutte le norme antisismiche. Una delle raccomandazioni di Arnold e Reitherman è quella di evitare angoli concavi, come nelle piante a C o a L, che infatti sono intrinsecamente soggette ad effetti torsionali. Inoltre soluzioni di continuità dovute alla formazione di volumi indipendenti attigui, o alla presenza di grandi aperture nei solai o nelle pareti di taglio, possono causare martellamento, indebolire i diaframmi e comprometterne la funzionalità, causare deformazioni.

La regolarità di forma e lo sviluppo per moduli contribuiscono ad evitare la presenza di zone critiche ove si possono concentrare le sollecitazioni. La regolarità è anche una delle caratteristiche richieste nello sviluppo in elevazione degli elementi sismo-resistenti; sono noti i danni derivanti dalla presenza di piani soffici (piani pilotis) che causano disastrosi effetti di pancaking.

I modelli morfologici ed aggregativi tipici dell’architettura ospedaliera

La progettazione delle varie zone di un ospedale nasce dalle diverse esigenze che ciascuna area funzionale richiede. I compromessi fra tali esigenze e le esperienze sul campo hanno portato alla formazione di vari modelli morfologici; ciascuno di essi, se visto nell’ottica della sicurezza strutturale antisismica, presenta peculiarità e problemi specifici. Nei paragrafi seguenti verranno esemplificate le varie tipologie, con le problematiche connesse (Rossi Prodi e Stocchetti, 1990).

Il monoblocco si presenta, nei casi più frequenti, nelle forme: rettangolare; a U; a doppio T; e con altre forme che tendono ad enucleare corpi edilizi per funzioni speciali. I principali problemi del monoblocco sono dovuti alla presenza di forme molto allungate, che possono causare concentrazioni di sollecitazioni lungo i bordi, a causa della maggior capacità di deformazione degli orizzontamenti.

Il poliblocco nasce come via intermedia fra il sistema a padiglioni ed il monoblocco a grattacielo di origine americana. Le problematiche sostanzialmente sono le stesse del monoblocco, sommate ad una intrinseca irregolarità morfologica.

Il modello a torre è forse l’unico che, se fosse rispettata la regolarità in altezza, sarebbe in grado di soddisfare i parametri morfologici di base dell’architettura sismica definiti da Arnold e Reitherman. Tuttavia esso risulta poco soddisfacente dal punto di vista della distribuzione funzionale e dei percorsi.

La piastra-torre è uno schema che nasce dall’esigenza di integrare le varie specialità mediche su uno sviluppo orizzontale (piastra), e di accorciare i percorsi tra le aree di diagnosi e cura e le degenze, raggruppate nella torre. La torre, tuttavia, costituisce una forte variazione di rigidezza in elevazione, che instaura effetti torsionali in corrispondenza dell’innesto sulla piastra.

Le esperienze britanniche di ospedali orizzontali, costituiti da un sistema di edifici separati ma collegati fra loro, sono rappresentate da numerose tipologie, nelle quali ricorre il concetto di hospital street. Come esempio si può ricordare il modello a nastro, in cui le degenze sono disposte intorno ai servizi di diagnosi e cura (p.es. Best Buy). Nell’ospedale di Humboldt-Berlino le degenze a corpo quintuplo riducono il rapporto tra larghezza e sviluppo di manica, presentando però molti angoli concavi.

Il modello a banchina, in cui i nuclei di degenza sono staccati dalla piastra di diagnosi e cura, mostra problemi di compattezza, regolarità e simmetria; significativo l’ospedale CHAL (Centre Hospitalier Anna-Laberge) di Montreal (Quebec, Canada).

Il modello a spina, tipico del sistema Nucleus, si presenta con la disposizione di elementi modulari cruciformi intorno ad una spina di distribuzione centrale. Esso, pur contenuto in altezza, è afflitto da una marcata disuniformità in pianta.

Il modello a galleria, in cui il complesso ospedaliero è organizzato intorno ad un grande spazio coperto (Main Street, Mall, Piazza) destinato a connettivo e contenente funzioni complementari anche di natura commerciale, è oggi abbastanza diffuso e rappresentato da molti ospedali di recente realizzazione, oltre che dal metaprogetto coordinato dal prof. U. Veronesi e dall’arch. R. Piano (Ministero della Sanità, 2001). Questo modello può presentare problemi correlati al modo in cui i corpi edilizi dell’ospedale sono collegati alla galleria stessa.

L’architettura ospedaliera sismicamente compatibile

Dall’illustrazione dei modelli tipici ospedalieri appena conclusa sembrerebbe molto problematico realizzare un complesso ospedaliero sismicamente compatibile. Ciò per fortuna non è vero, e a dimostrazione si possono portare come esempio molti casi di edifici, anche non ospedalieri, in cui l’involucro architettonico ha solo una funzione estetica, senza alcun riscontro integrato con la struttura, che, nel suo complesso, ha prerogative antisismiche; si cita al tal proposito il Museo Guggenheim di Bilbao.

Per contro, esistono numerosi esempi in cui l’architettura è anche espressione ingegneristica; per esempio la Torre Hancock di Chicago e lo Stadio Bird’s Nest di Beijing, nei quali la forma architettonica coopera attivamente alla sicurezza sismica.

La soluzione ideale dei problemi architettonici e sismici ospedalieri è quindi quella della progettazione integrata, in cui l’architetto, l’esperto ospedaliero e l’ingegnere strutturista collaborano insieme allo sviluppo del progetto, e, ciascuno per la propria parte, non si accontentano di svolgere un ruolo specialistico ma si sforzano di comunicare con lo stesso linguaggio per sviluppare uno schema comune, integrando la forma architettonica con le esigenze della tecnologia e della sicurezza strutturale.

Un caso di studio: l’ospedale di Loma Linda

Uno dei primi esempi di progettazione integrata di struttura sanitaria antisismica è l’ospedale Jerry L. Pettis Memorial VA Medical Center di Loma Linda (California, USA), realizzato per rimpiazzare i posti letto andati persi nel corso del terremoto di San Fernando del 1971 (Holmes, 1976).

La richiesta originaria della committenza VA (Veteran Administration) fu quella di studiare un sistema di ospedale con ampie corti interne, solai di grande luce per una più libera ambientazione funzionale, e piani di altezza adeguata a contenere un interpiano tecnico-impiantistico. Gli elementi sismo-resistenti dovevano essere concentrati in nuclei, da utilizzare sia come cavedi impiantistici che come volumi per scale ed elevatori. Inoltre veniva richiesto che l’ospedale – da costruirsi in uno dei due siti scelti nella Valle di San Bernardino, prendendo a riferimento l’intensità sismica delle faglie di San Andreas (SA) e San Jacinto (SJ) – potesse resistere ad almeno due volte il livello di intensità sismica indicato dall’UBC (Uniform Building Code), restando operativo anche nel corso del più forte terremoto che fosse potuto accadere.

Considerando l’importanza di sviluppare una nuova filosofia progettuale per la progettazione ospedaliera della VA, furono messi a punto studi atti a individuare la natura geofisica dei siti proposti, e la risposta in termini di accelerazione al suolo prevedibile. Furono determinate le magnitudo e le accelerazioni medie calcolate al suolo per i due siti, rispettivamente 8 e 0,59 g per SA e 7÷7,5 e 0,56 g per SJ.

In conseguenza dei risultati ottenuti, venne definita la configurazione morfologica ottimale in relazione alle azioni sismiche di progetto. Nella proposta strutturale definitiva si concluse che l’edificio avrebbe avuto un limitato sviluppo in altezza (4 piani in tutto), con configurazione in pianta regolare, all’incirca quadrata e formata da un singolo blocco, senza piano interrato per eliminare ogni variazione brusca di rigidezza con i piani fuori terra, e una distribuzione uniforme dei muri di taglio. Per il calcolo strutturale si assunse una serie di combinazioni di parametri di progetto; il tagliante di base risultò essere 0,5 W, con W = massa totale dell’edificio.

Il progetto strutturale previde quindi la realizzazione di muri di taglio, e di telai in acciaio (travi e pilastri) capaci di assorbire il 10% dell’azione totale laterale di progetto. I pilastri in acciaio si inserivano all’interno degli stessi muri di taglio; in questo modo la struttura in c.a. dei muri (di spessore 30÷70 cm) era in grado di assorbire le forze laterali e di contenere gli spostamenti di interpiano entro 4 mm, mentre la struttura dei telai in acciaio aveva il compito di trasferire le azioni laterali ai muri di taglio e di portare le azioni verticali.

Tre realizzazioni: l’ospedale Morgagni di Forlì, l’ospedale S. Donato di Arezzo, l’ospedale Mellino Mellini di Chiari

I tre ospedali sono stati progettati dallo Studio Grifa & Cuccatto Associati, per quanto riguarda sia gli aspetti architettonici e ospedalieri sia quelli strutturali, tenendo conto delle esigenze di natura sismica. La progettazione strutturale degli ospedali di Forlì e di Arezzo ha seguito le prescrizioni delle Norme Tecniche del 1996, in quanto entrambi risultavano essere in zona sismica di 2a categoria, mentre il comune di Chiari non era classificato dal punto di vista sismico; l’Ospedale di Chiari è stato comunque progettato tenendo presente le norme americane UBC.

In tutti e tre i casi la scelta del luogo, l’ubicazione, l’orientamento, l’area edificabile erano predefiniti, e costituivano un vincolo progettuale non derogabile.

Ospedale “G. B. Morgagni” – Forlì

La configurazione morfologica adottata per il nuovo ospedale è di Piastra-Torre con Galleria. L’intervento progettuale ha dovuto tener conto di una preesistenza costituita da un parziale intervento strutturale, con maglia 5,5 x 5,5 m, in seguito completato ed utilizzato come Piastra 1 a tre piani f.t. di dimensioni 96 x 105 m circa, contenente l’area ambulatoriale e diagnostica.

Un secondo corpo, di pari altezza ma più ridotto nelle dimensioni, costituisce la Piastra 2, con maglia strutturale 7,2 x 7,2 m e dimensioni 72 x 94 m circa. Le due Piastre sono divise da una Galleria, avente una superficie di circa 2300 mq e una lunghezza di 79,2 m. Dalla Piastra 2 si elevano due torri alte 6 piani.

Nonostante lo spazio edificatorio a disposizione fosse già definito, la morfologia dell’impianto ospedaliero è stata studiata in rapporto ai vincoli esistenti tenendo conto dei principi dell’architettura sismica. A tal fine si è disposto di realizzare nella Piastra 1 cinque corpi scala, setti perimetrali ed un gruppo scale/ascensori centrale, costituenti le strutture sismo-resistenti.

Le due torri hanno dimensioni di 28,8 x 36,0 m, e sono unite da una manica alle cui estremità sono collocati corpi scale ed ascensori sismo-resistenti. La differenza trasversale media tra le due torri e la piastra sottostante è di 2 moduli (14,4 m) per lato in larghezza e 1 modulo (7,2 m) per lato in lunghezza.

Inoltre, in adiacenza al lato trasversale interno delle due torri è previsto un gruppo ascensori costituente nucleo irrigidente e percorso verticale; alle estremità esterne delle due torri sono previsti setti perimetrali di irrigidimento; sono presenti telai in acciaio costituiti da travi (HEB 240) e pilastri (HEA/HEB 300, cartellati).

Ospedale “S. Donato” – Arezzo

La configurazione tipologica adottata nel disegno originario del 1972 è quella di un poliblocco a sviluppo orizzontale di tipo circolare (2 anelli), articolato e flessibile per l’assemblaggio di volumi modulari strutturalmente e funzionalmente autonomi. La forma è stata dettata da esigenze ambientali, in quanto l’ospedale sorge in un’area – la collina del Pionta – tutelata dal punto di vista ambientale ed archeologico per la presenza di tombe di epoca etrusca.

Nel 1998 iniziò il nostro intervento di completamento dell’ospedale, che vide la realizzazione di tre blocchi, per un totale di 270 p.l., la palazzina della Rianimazione, ed il collegamento aereo dedicato ai visitatori con i relativi corpi scala indipendenti dai corpi delle degenze, oltre ad edifici tecnici ed alla sistemazione delle aree esterne.

I moduli sono costituiti da un corpo di fabbrica quintuplo a doppio corridoio e a doppia esposizione. Ciascun blocco ha uno sviluppo medio di circa 75 m e dimensioni trasversali di 29,5 m. Sebbene la forma a corona circolare non sia considerabile idonea dal punto di vista sismico, si sono adottati accorgimenti di architettura sismica per minimizzare gli effetti delle azioni torsionali dovute alla forma dei blocchi; in particolare sono stati predisposti nuclei sismo-resistenti costituiti da due nuclei ascensori interni alla superficie dell’edificio, e due nuclei esterni alle due estremità del corpo di fabbrica, che assorbono interamente le azioni orizzontali del sisma.

I pilastri in c.a. hanno una distribuzione di tipo polare in relazione alla forma dell’edificio, per esigenze di modularità, e assorbono solo il 5% dell’azione sismica. I solai in c.a. a “fungo” risultano sufficientemente rigidi per evitare ogni variabilità spaziale dei nuclei stessi nel moto sismico. Infine, le notevoli luci delle aree sui fronti longitudinali (8,5 x 11,5 m) hanno consentito grande flessibilità nella destinazione d’uso dei locali.

Ospedale “Mellino Mellini” – Chiari (BS)

L’intervento prende avvio da un Piano di Fattibilità che prevedeva la ristrutturazione dell’intero complesso ospedaliero, sia con interventi sull’esistente che con la realizzazione di un nuovo corpo di fabbrica (Monoblocco) in sostituzione di edifici minori. L’originaria struttura principale, risalente ai primi anni del ‘900, si trovava sotto tutela della S.BB.AA.AA.SS. di Brescia; la progettazione ha quindi affrontato come primo problema quello della caratterizzazione architettonica della nuova volumetria, oltre che delle facciate, dei materiali e dei colori da utilizzarsi, al fine di conseguire il parere favorevole della S.BB.AA.AA.SS.

In questo contesto, tuttavia, non potevano essere sottovalutati gli aspetti logistici determinati dalle esigenze proprie di una struttura ospedaliera. È stata pertanto adottata una distribuzione a corpo triplo con maglia strutturale di 7,2 x 7,2 m; la dimensione del Monoblocco è risultata pari a 18 x 86,5 m, con due ali laterali di dimensioni 18 x 18 m.

La forma a C della pianta del Monoblocco è risultata una scelta obbligata e certamente non desiderabile per una costruzione progettata per resistere ad azioni sismiche, nonostante la dichiarata non sismicità del territorio comunale. Per rendere l’edificio compatibile con i dettami dell’architettura sismica sono stati adottati alcuni accorgimenti. Innanzitutto sono stati inseriti tre grossi nuclei con funzioni di comunicazioni verticali, contenenti gruppi di ascensori e scale, lungo l’anima della C. Il nucleo principale è posto nel centro, mentre gli altri due si trovano alle estremità.

Due setti sono stati posizionati alle estremità delle ali della C. Essi si estendono per tutta la dimensione trasversale dell’edificio (circa 18 m), ed in parte vengono utilizzati come pareti di cavedi impiantistici di grandi dimensioni. I pilastri sono in acciaio (HEB 260 cartellati), e, in analogia alla soluzione adottata per l’ospedale di Loma Linda, sono stati inseriti all’interno dei muri e/o delle pareti di taglio in corrispondenza dei nodi della maglia strutturale.

Bibliografia

Arnold, C., Reitherman, R.: 1985, Morfologia edilizia e progetto sismico, traduzione e adattamento a cura di C. Latina, Edizioni Luigi Parma, Bologna.

Holmes, W. T.: 1976, Seismic design of the Veteran’s Administration Hospital at Loma Linda, California, International Symposium on Earthquake Structural Engineering, St. Louis, Missouri, USA, pp. 823-839.

Ministero della Sanità: 21 marzo 2001, Nuovo Modello di ospedale – Meta-progetto planimetrico e tridimensionale (D.M. 12/12/2000), Ministero della Sanità, Servizio Studi e Documentazione.

Rossi Prodi, F., Stocchetti, A.: 1990, L’architettura dell’ospedale, Alinea editrice.