L'importanza del monitoraggio strutturale nella conservazione degli edifici monumentali: un caso studio

IL MONITORAGGIO DELLA BASILICA DI COLLEMAGGIO A L’AQUILA

La Basilica di Collemaggio è il simbolo dei monumenti aquilani gravemente danneggiati dal sisma del 2009. 

Oggi, ultimati gli interventi di recupero, il moderno sistema di monitoraggio che vi è stato collocato fornisce un efficace strumento per la diagnosi del suo stato di conservazione e quindi per il piano di programmazione manutentiva. Infatti, tramite le analisi sui dati registrati si potranno sia osservare l’evoluzione nel tempo dello stato di benessere strutturale, sia valutare realisticamente gli effetti degli interventi messi in atto nel recupero del bene, alcuni dei quali si allontanano da quelli più tradizionali. Ciò contribuirà ad accrescere il grado di conoscenza del comportamento, non sempre facilmente modellabile sulla base delle informazioni ricavate da prove sui singoli materiali, in particolar modo su strutture complesse come quelle monumentali.

La Basilica di Collemaggio, legata alla storia di San Pietro da Morrone e alla sua elezione a Papa come Celestino V (Giardini e al., 2006), è stata seriamente danneggiata dagli eventi sismici del 2009 (Antonacci, 2012) ma grazie ad un finanziamento dell’ENI è stata restaurata secondo un progetto che ha visto il coinvolgimento, per la progettazione e la direzione dei lavori, della Soprintendenza ai beni architettonici e paesaggistici d’Abruzzo e per le attività tecnico-scientifiche di un gruppo di università (Politecnico di Milano, Università de L’Aquila e La Sapienza di Roma).

Insieme al progetto ed ai lavori di ripristino l’ENI ha finanziato, secondo l’accordo denominato “Ripartire da Collemaggio”, anche la progettazione e realizzazione di un sistema di monitoraggio avente il duplice scopo di fornire uno strumento che nella fase di cantiere contribuisse a garantire la sicurezza e successivamente consentisse di  valutarne lo stato strutturale e l’evoluzione nel tempo dello stesso, al fine di controllare lo stato di conservazione e fornire elementi utili all’attuazione del piano di programmazione manutentiva. 

Operare su un bene vincolato è sempre complesso poiché ogni intervento di riparazione e miglioramento del comportamento sismico deve essere necessariamente basato su un’attenta analisi delle caratteristiche strutturali proprie di ciascun elemento analizzato per permettere l’adozione di interventi sostenibili, reversibili e, nello stesso tempo, efficaci. La progettazione strutturale di tali interventi si basa usualmente su modelli numerici interpretativi del comportamento della struttura (modelli ad elementi finiti, analisi di sottostrutture etc.) che non riescono a rappresentare con esattezza il vero comportamento strutturale, particolarmente se essi non sono validati e migliorati tramite i risultati di attente e mirate campagne di indagine sul comportamento dinamico effettivo (Lourenco, 2013). 

Quindi, dopo gli interventi di riparazione e miglioramento, un’osservazione continua della interazione dinamica monumento-ambiente (risposta della struttura al vento, ai micro tremori ambientali, ad eventuali e non auspicabili futuri terremoti) è assolutamente necessaria per poter immediatamente constatare la regolarità e continuità del comportamento strutturale nel tempo, evidenziando, in caso, i momenti in cui una azione ha indotto effetti non trascurabili rendendo necessario un intervento di ordinaria o straordinaria manutenzione. 

Infatti, l’assessment delle condizioni strutturali finalizzate alla valutazione della permanenza nel tempo delle performances strutturali di un edificio o, a maggior ragione, di un monumento, così come il controllo nel tempo delle condizioni di salute delle stesse per fini di Structural Health Monitoring (Doebling 1996, Sohn 2004, Wor-den2007), possono beneficiare in maniera sostanziale delle informazioni provenienti sia da test dinamici estemporanei che da flussi di dati in continuo provenienti da sensori (accelerometrici e/o velocimetrici) disposti permanentemente sulla struttura. I test estemporanei possono, ad esempio, essere condotti sia immediatamente prima del rilascio dell’opera dopo la ristrutturazione in maniera che sia chiara la capacità di assolvere le naturali funzioni, sia essere ripetuti in tempi successivi, ad intervalli prestabiliti di tempo per controllare la permanenza delle condizioni di utilizzabilità. Allo stesso modo, ed in forma molto più utile, le informazioni provenienti da un sistema di monitoraggio dinamico permanentemente installato su un monumento, possono far fluire i dati, in forma continua, all’Ente preposto alla conservazione del monumento, in maniera da avere un controllo continuo sul comportamento strutturale. Sono infatti proprio le prestazioni dinamiche caratteristiche di ogni opera di ingegneria ad influenzare, come è noto, la risposta a sollecitazioni dinamiche quali quelle indotte dal sisma. In un elemento di particolare rilevanza come La Basilica di Santa Maria di Collemaggio a L’Aquila, il tema riveste anche una rilevanza strategica ai fini della conservazione poiché, a valle di eventi straordinari di tipo antropico o ambientale di media entità (cioè non trascurabili né distruttivi), i dati registrati dal sistema di monitoraggio forniscono la base per una procedura di assessment precisa, veloce ed estremamente affidabile che consente, in poche ore e dopo semplici elaborazioni, di poter valutare come il monumento abbia risposto alle azioni esterne e, soprattutto, permette di individuare il verificarsi di danneggiamento o se, invece, la struttura può essere immediatamente utilizzata, con notevoli ovvi e notevoli vantaggi per l’ente preposto alla conservazione. 

Una precipua peculiarità del sistema di monitoraggio presentato in questo lavoro è quella di aver tenuto conto dei risultati degli studi condotti sulla Basilica nella fase di restauro, basati sull’analisi dei cinematismi, oltre a quelli derivanti dalle campagne di dinamica sperimentale svolte dall’Università dell’Aquila (Antonacci et al. 2001 e 2004) negli anni passati (1996-2000).

Le caratteristiche della Basilica di S. Maria di Collemaggio e gli interventi di restauro conservativo

La Basilica (Figura 1) è caratterizzata da un’aula lunga circa 61 m, a tre navate, scandite da 14 pilastri ottagonali che sorreggono archi a sesto acuto. L’aula è separata dal transetto da un arco trionfale innestato su due grandi piliere, a sezione polilobata. Contiguo alla Basilica è il monastero con il chiostro. 

Figura 1. La pianta della Basilica

Una poderosa torre ottagonale è accostata alla facciata (Figura 2). Le murature sono in pietra e sono morfologicamente molto variegate. Le coperture delle navate e del transetto sono lignee, con capriate a vista, mentre quelle dell’abside, in acciaio, sono poste al di sopra delle volte in muratura. 

I lavori per la costruzione della Basilica ebbero inizio nel 1287, ma nei secoli numerosi sono stati gli interventi che hanno interessato il complesso, molti dei quali a seguito dei frequenti terremoti che hanno colpito il territorio aquilano. 

Figura 2. Facciata della Basilica

L’ultimo e recentissimo restauro (Figura 3), operato dopo il sisma del 2009, ha seguito i principi di un attento restauro conservativo, rispettando le esigenze di tutela dei valori storico-artistici e culturali del monumento, consolidando le parti danneggiate e ricostruendo quelle crollate, utilizzando anche tecniche di moderna concezione. In particolare è stata ricostruita buona parte del transetto crollato, ovvero i poderosi pilastri a forma polilobata, gli archi trionfali e la muratura sovrastante, nonché la relativa copertura. Interventi di consolidamento hanno puntato a preservare quanto più possibile gli elementi costitutivi dei pilastri (conci lapidei) con due diverse tipologie in funzione del danno riscontrato. Su quelli più danneggiati si è operato con il completo smontaggio - utilizzando strutture provvisionali che hanno permesso lo scarico temporaneo della muratura - e la ricostruzione con la sostituzione dei conci che non presentavano le caratteristiche meccaniche adeguate. Sugli altri si è adottato un intervento di “scuci-cuci” con la sostituzione dei soli conci danneggiati. Tutti i conci sono stati confinati inserendo a secco, in ciascuno di essi, un sistema di barre elicoidali in acciaio. Sulle murature perimetrali sono stati effettuati interventi localizzati di consolidamento, utilizzando di volta in volta la tecnica di “scuci-cuci”, le iniezioni di malte speciali o un sistema analogo al “reticolatus”, in funzione delle condizioni locali di dissesto o della inadeguatezza costruttiva. Le coperture sono state rinforzate con cordoli in muratura armata su aula e transetto e in acciaio sulla parte di absidi e cappelle. Per la copertura delle navate è stata prevista un’azione di irrigidimento delle falde mediante l’inserimento di pannelli in legno lamellare al di sopra del tavolato.  Sono stati predisposti ulteriori incatenamenti volti ad ancorare la facciata ai muri di navata, nonché cuciture armate per ripristinare le connessioni tra i pannelli murari di abside e cappelle.

Figura 3. Interno della Basilica a restauro ultimato

I meccanismi di collasso e lo studio del sistema di monitoraggio

L'esperienza acquisita a seguito dei numerosi eventi sismici del passato anche recente, mostra chiaramente che per gli edifici storici in muratura, in particolare gli edifici di culto, il collasso si manifesta attraverso la perdita di equilibrio di porzioni limitate (macroelementi) della costruzione. Nascono delle difficoltà nell'utilizzo delle procedure di verifica della sicurezza strutturale attraverso modelli globali: gli edifici spesso non manifestano un chiaro comportamento d'insieme e le geometrie complesse, l'assenza di impalcati rigidi, le pareti alte e snelle e la difficoltà a quantificare il comportamento degli ammorsamenti murari rendono difficoltosa e, in molti casi, poco attendibile, la verifica di sicurezza.

Alla luce di queste osservazioni si è stabilito di progettare un sistema di monitoraggio che consentisse di tenere sotto controllo l’evoluzione, oltre che dei parametri modali e dello stato fessurativo, l’innesco dei meccanismi che potrebbero insorgere in conseguenza di un sisma, tenendo conto degli interventi di consolidamento realizzati.

Nel progettare il sistema di monitoraggio della basilica sono stati considerati i macroelementi rivelatisi più significativi dal punto di vista della vulnerabilità: la facciata; le pareti di navata, in particolare quella della Porta Santa, e la parete dell’abside.

Per la facciata l’analisi locale ha messo in evidenza la possibilità che si inneschi il meccanismo di ribaltamento della parte sommitale (Figura 4a); lo stesso meccanismo potrebbe interessare la parete dell’abside (Figura 4c).  Per la parete su cui si apre la Porta Santa è stata individuato il meccanismo di flessione verticale ((Figura 4b)). 

Figura 4. Macroelementi e meccanismi individuati: della facciata (a), della parete della Porta San-ta (b) e dell’abside (c)

l'articolo continua nel PDF con la descrizione dettagliata del MONITORAGGIO STRUTTURALE e dei risultati.