Back analysis per la valutazione delle vulnerabilità sismiche della chiesa di Sant’Agostino ad Amatrice

Back analysis per comprendere le vulnerabilità potenziali

La possibilità di riconoscere più facilmente le criticità strutturali dal rilievo dei crolli induce a riflettere su quanto tale analisi sia più complessa quando l’edificio storico, ancora integro, nasconde all’interno delle proprie pietre le stesse criticità che durante un forte evento sismico possono evidenziarsi in tutta la loro gravità. Gli stessi modelli agli elementi finiti sono in grado di raggiungere una esaustiva precisione solo quando sono costruiti con le reali condizioni strutturali, desumibili attraverso approfondite prove diagnostiche, altrimenti visibili solo dopo il crollo.

L’articolo descrive uno studio interdisciplinare condotto da alcuni ricercatori e personale tecnico del Politecnico di Torino sulle vulnerabilità sismiche della chiesa di Sant’Agostino ad Amatrice, uno dei simboli dell’architettura storica gravemente danneggiata dal terremoto del Centro Italia. Tale studio deriva da un Accordo di Cooperazione Scientifica e Strategica siglato tra l’Ufficio del Soprintendente Speciale per le aree colpite dal sisma del 24 agosto 2016, il Segretariato Regionale MIBACT del Lazio, la Soprintendenza Archeologia Belle Arti e Paesaggio per le Province di Frosinone Latina e Rieti, la Curia vescovile di Rieti e il Politecnico di Torino, da sviluppare anche attraverso una campagna diagnostica sulle strutture danneggiate dal terremoto, propedeutica alla futura progettazione di ricostruzione.

Gli esiti della ricerca evidenziano quanto debba essere indagato un edificio storico, con l’opportuno approfondimento, per prevenire il crollo da terremoto mediante analisi più realistiche possibili riguardo la sua risposta dinamica. Attraverso una back analysis che ha compreso rilievi geomatici con drone, prove diagnostiche sulle murature e una modellazione agli elementi finiti con spettro di risposta sismica locale, è stato possibile calibrare in modo corretto la dinamica del crollo della chiesa.

L’articolo approfondisce l’interpretazione sismica curata dall’autore, grazie alla condivisione dei risultati delle analisi geomatiche, eseguite dalla Prof.ssa Antonia Spanò - Prof. Filiberto Chiabrando - Ing. Giulia Sammartano, dei risultati delle prove geologiche di caratterizzazione sismica coordinate dal Prof. Sebastiano Foti, ed infine degli esiti dei test in situ e in laboratorio coordinati dall’Ing. Antonino Quattrone (responsabile del laboratorio Mastrlab del Dipartimento di Ingegneria Strutturale Edile e Geotecnica del Politecnico di Torino) riguardo la caratterizzazione meccanica delle murature, e quelle di caratterizzazione delle malte svolte dal Prof. Marco Zerbinatti. Per l’approfondimento completo della ricerca con i contributi di tutti i ricercatori si rimanda alla bibliografia in coda all’articolo.

I danni sulla chiesa di Sant’Agostino causati dai terremoti

La chiesa di Sant’Agostino, costruita nel 1428, ha struttura in muratura portante con tessitura a conci sbozzati in arenaria, interno a navata unica con tetto ligneo e capriate a vista (in precedenza esisteva una volta di sottotetto, successivamente demolita e non più ricostruita). La torre campanaria probabilmente esisteva già come torre difensiva poi riadattata a campanile della chiesa. Osservando le immagini dalle cartoline di inizio ‘900 (fig. 1) risultano visibili già alcuni quadri fessurativi sulla facciata e sulla torre campanaria, con ogni probabilità postumi del terremoto della Marsica del 1915 di magnitudo 7.0 con epicentro nel Fucino. La chiesa di Sant’Agostino aveva subito, nel corso della sua vita, frequenti danneggiamenti in occasione dei grandi eventi sismici del passato, trattandosi come sappiamo di area a grande rischio sismico. Negli anni Trenta la facciata fu rinnovata costruendo la vela superiore col rosone (Fig. 1).

Nel terremoto del 1979 della Valnerina, di magnitudo 5.8 con epicentro vicino Norcia, la chiesa subisce notevoli danni, senza tuttavia generare crolli: un potenziale distacco della facciata, diverse disconnessioni lungo tutto il perimetro superiore delle pareti in corrispondenza degli appoggi delle capriate, danni registrati anche agli architravi delle finestre (fig. 2). Nei primi anni ‘80 inizia la progettazione e l’esecuzione degli interventi di riparazione comprensivi del rifacimento della copertura lignea, ritenuta oramai vetusta, con analoga soluzione in capriate lignee, ancorate a un cordolo in c.a. a sua volta efficacemente collegato alle possenti pareti in pietra mediante ancoraggi verticali con barre d’armatura, insieme al consolidamento delle murature attraverso lai risarcitura delle lesioni con coli cementizi e iniezioni di boiacca cementizia lungo tutte le superfici murarie.

Durante la prima grande scossa sismica del 24 agosto 2016, di magnitudo 6.0 con epicentro Accumoli, la chiesa di Sant’Agostino subisce il crollo della parte superiore della facciata con rosone, facendo collassare a terra anche la porzione di tetto ad essa collegata (Fig. 3). Il campanile risultava gravemente danneggiato in corrispondenza della cella campanaria, mentre l’arco “Carbonara” era crollato totalmente. Il danno risulta giustificato dalla tradizionale vulnerabilità dei timpani e delle vele delle chiese, accentuata in questo caso dalla circostanza che la direzione di massima sollecitazione sismica della scossa era quasi pressoché ortogonale alla facciata della chiesa.

Dalla fig. 3 si rileva sulla facciata l’apertura dello stesso quadro fessurativo presente sia nella cartolina di inizio ‘900 (fig. 1) sia nel più recente quadro fessurativo dopo il terremoto della Valnerina del 1979 (fig. 2). A dimostrazione che una semplice risarcitura con iniezioni di boiacca non sarà mai sufficiente a cucire efficacemente la lesione, soprattutto in zone ad alta sismicità. Si rileva inoltre la particolare slegatura della facciata dalla parete ortogonale di destra, probabilmente un “difetto di costruzione” prima non percepibile che ha contribuito a rendere ancora più semplice l’attivazione del cinematismo fuori piano.

Come sappiamo, il grande evento sismico del Centro Italia non si è esaurito nella sola potente scossa del 24 agosto 2016, bensì, durante il fisiologico e lungo sciame sismico, ha rilasciato altre due potenti scosse, il 30 ottobre 2016 di magnitudo 6.5 con epicentro vicino Norcia e il 18 gennaio 2017 di magnitudo 5.5 con epicentro in provincia de L’aquila, durante le quali la chiesa di Sant’Agostino ha progredito il suo danneggiamento fino al crollo quasi totale che ha interessato la facciata, la copertura, il campanile, le pareti perimetrali (fig. 4).

Vulnerabilità sismiche

Tra le criticità sismiche risulta subito evidente la facciata a vela, comune in molte chiese, elemento potenzialmente vulnerabile perché non efficacemente vincolato nello sviluppo verticale dell’edificio ed in particolare nella parte sommitale. Tuttavia, l’aspetto più interessante è rappresentato dalla riapertura in facciata della medesima lesione già presente a inizi del XX secolo, e nuovamente dopo il terremoto del 1979. Il progetto di riparazione, conforme alle prescrizioni tecniche dell’epoca, prevedeva cuciture armate a cavallo della lesione, che tuttavia non sono state eseguite a favore di una semplice risarcitura con coli cementizi (dato rilevabile dall’analisi delle porzioni murarie danneggiate), risultata del tutto insufficiente a legare la porzione muraria offesa nel tempo (fig. 5).

Il cordolo in cemento armato previsto nel rifacimento della copertura, sebbene intervento non concorde con l’originaria tecnica costruttiva della chiesa ma rappresentativo del modus operandi di quel periodo, è stato realizzato tuttavia in modo efficace dal punto di vista sismico: mediante le lunghe barre verticali di ancoraggio è riuscito, durante l’intero sciame sismico, a trattenere le possenti pareti sottostanti in pietra, finendo per crollare solo all’ultima grande scossa (fig. 6). Esso prevedeva altresì piastre di ancoraggio per gli appoggi delle capriate lignee quale ulteriore presidio antisismico.

La tessitura muraria è risultata adeguata al rischio sismico dell’area geografica, grazie al notevole spessore oltre il metro, seppur contenente un riempimento intermedio tra i conci che tuttavia non ha dato segni di disgregazione. La parete pervenuta prima al crollo a seguito della seconda grande scossa del 20 ottobre 2016 presentava eccezionalmente discontinuità edificatorie con presenza di intercapedine (fig. 7). Questa particolarità derivava probabilmente da riparazioni o rinforzi murari non a regola d’arte dopo terremoti avvenuti in tempi lontani, oltre a possedere alla base una minore sezione resistente per la presenza delle nicchie affrescate (fig. 2). Pertanto, questo ulteriore collasso parziale è avvenuto a seguito della presenza del doppio paramento e della diminuzione della sezione portante in corrispondenza delle nicchie sottostanti (fig. 8). Da questo crollo in avanti, la fabbrica muraria è risultata molto più debole e vulnerabile alle scosse del successivo sciame sismico, fino all’ultima grande scossa del 18 gennaio 2017 che ha decretato il crollo pressoché totale del campanile e di buona parte della chiesa (fig. 4).

Analisi della risposta dinamica

Per ricostruire la risposta sismica del sito della chiesa di Sant’Agostino sono state consultate le registrazioni dei movimenti sismici della stazione di Amatrice (AMT), posizionata su un suolo di arenaria stagionata e classificata come categoria del sottosuolo B. Le condizioni locali del sito sono state investigate con un pozzo trivellato nelle immediate vicinanze della chiesa, nell’ambito della microzonazione sismica del Comune di Amatrice. La stratigrafia locale è risultata composta da sabbie di media densità nella parte superiore ad una profondità di 5 m, seguite da 15 m di ghiaie grossolane dense con ciottoli che poggiano sulla stessa formazione arenacea su cui si trova la stazione AMT.

E’ stata eseguita l’analisi della risposta al suolo 1D, confrontando gli spettri di risposta all’accelerazione al livello base con le registrazioni della stazione AMT. In fig. 9, per entrambe le direzioni orizzontali con riferimento alle registrazioni della stazione AMT durante la scossa sismica del 24 agosto 2016, esiste una prevalenza della componente est-ovest del movimento sulla componente nord-sud. Questa differenza è coerente ai danni e agli effetti superficiali osservabili sulla chiesa (fig. 3), in particolare per la componente principale est-ovest che risulta quasi perpendicolare alla facciata della chiesa accentuando così il cinematismo fuori piano della vela. L’amplificazione del movimento del suolo osservata ha sicuramente svolto un ruolo molto rilevante nella distruzione osservata nel centro di Amatrice. 

La modellazione agli elementi finiti della chiesa (fig. 10) ha avuto la finalità di confrontare il primo danno rilevato durante la scossa del 24 agosto 2026 con quello stimato dal software di calcolo professionale, constatando che la precisione di stima del modello converge soprattutto grazie all’inserimento dello spettro di risposta sismica locale, oltre che delle caratteristiche più dettagliate delle proprietà meccaniche dei materiali. Il modello ha tenuto conto della sconnessione tra la facciata e la parete ortogonale (mediante svincoli tra le shell), delle caratteristiche meccaniche delle murature desunte da prove eseguite con il martinetto piatto doppio sulla parete sud-est, e di caratterizzazione delle malte e delle pietre prelevate in situ ed eseguite dai tecnici del MastrLab del Politecnico di Torino (fig. 11).

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Bibliografia

1. DAMAGE ASSESSMENT AND SEISMIC VULNERABILITY ANALYSIS OF S. AGOSTINO CHURCH IN AMATRICE / Grazzini, Alessandro; Chiabrando, Filiberto; Foti, Sebastiano; Lingua, Andrea Maria; Spanò, Antonia Teresa. - CD-ROM. - (2018), pp. 1-12. (Intervento presentato al convegno 16th European Conference on Earthquake Engineering (ECEE) tenutosi a Thessaloniki nel 18 - 21 June 2018).
2. Valutazione della vulnerabilità sismica della chiesa di sant’Agostino ad Amatrice tramite analisi multitemporali / Grazzini, Alessandro; Sammartano, Giulia; Antonia, Spanò; Foti, Sebastiano; Chiabrando, Filiberto; Quattrone, Antonino; Zerbinatti, Marco. - In: ATTI E RASSEGNA TECNICA. - ISSN 0004-7287.
3. A Multidisciplinary Study on the Seismic Vulnerability of St. Agostino Church in Amatrice following the 2016 Seismic Sequence / Grazzini, Alessandro; Chiabrando, Filiberto; Foti, Sebastiano; Sammartano, Giulia; Antonia, Spanò. - In: INTERNATIONAL JOURNAL OF ARCHITECTURAL HERITAGE. - ISSN 1558-3066. - ELETTRONICO. - 14:6(2020), pp. 885-902. [10.1080/15583058.2019.1575929].
4. Mechanical Properties of Historic Masonry Stones Obtained by In Situ Non-Destructive Tests on the St. Agostino Church in Amatrice (Italy) / Grazzini, Alessandro; Lacidogna, Giuseppe. - In: APPLIED SCIENCES. - ISSN 2076-3417. - ELETTRONICO. - 11:(2021), pp. 1-14. [10.3390/app11146352]