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Risposta sismica del campanile in muratura con dispositivi sismici innovativi

È in corso presso il laboratorio internazionale Eucentre, le prove sperimentali di risposta sismica su un campanile in muratura in mattoni pieni. L’obiettivo della ricerca è ambizioso, in quanto vuole testare la risposta ante e post intervento di consolidamento su fabbricati vincolati, quali i campanili e le celle campanarie, utilizzando il sistema AMD di Isaac e consolidamenti Mapei.

In queste settimane sono in corso, presso il centro di ricerca Eucentre di Pavia, le prove sperimentali su un campanile in muratura costruito appositamente. L’attività è iniziata nell’autunno del 2023 ed è ora in corso la fase 4 “Attività sperimentale: prove dinamiche su tavola vibrante”, a cui seguirà un’ultima fase di “analisi e restituzione dei dati e redazione rapporto sperimentale” (Figura 2), che Ingenio seguirà e riporterà a conclusione, con i contributi dei diversi protagonisti.

  

Figura 1 – Team Isaac ed Eucentre alla base del campanile costruito per le prove
Figura 1 – Team Isaac ed Eucentre alla base del campanile costruito per le prove (Crediti: Paolo Morandi)

 

L’obiettivo di questa partnership è quello di dimostrare la validità e l'efficacia di questa soluzione congiunta ISAAC-Mapei per la protezione delle torri e delle altre strutture storiche, attraverso metodi di consolidamenti innovativi.

 

Perché indagare la risposta sismica dei campanili?

Le torri campanarie si danneggiano molto frequentemente nei terremoti e richiedono interventi. Facendo riferimento al “Manuale per la compilazione della scheda per il rilievo del danno ai beni culturali, chiese”, tre sono i meccanismi relativi agli aggetti ed al campanile il cui danno può essere classificato:

  • 0 danno nullo
  • 1 danno lieve: prima evidenza di dissesti connessi all’iniziale attivazione di meccanismi visibili ad una osservazione accurata, di limitata estensione.
  • 2 danno moderato: l’evidenza di dissesti e leggibilità complessiva di meccanismi attivati nell’insieme del macroelemento, ma in fase iniziale di sviluppo, con dissesti di limitata entità.
  • 3 danno grave: marcata evidenza di dissesti e leggibilità complessiva di meccanismi compiutamente attivati che interessano l’insieme del macroelemento in fase intermedia di sviluppo.
  • 4 danno molto grave: evidenza macroscopica dei dissesti e dei meccanismi prossimi alla fase di ultimo spostamento con parti al limite del crollo, a seguito di dissesti complessivi di forte e fortissima entità.
  • 5 crollo del macroelemento analizzato.

In particolare, i meccanismi ascrivibili al campanile sono il n. 27 e n. 28, ovvero quello della torre campanaria e della cella campanaria.

 

  

Il meccanismo M27Torre campanaria si attiva o con rotazioni della torre o con deformazioni nel piano delle pareti perimetrali della torre campanaria.

Il quadro fessurativo che ne deriva può essere rappresentato o da rotazione verso l’esterno della parte sommitale della torre campanaria conseguente ad un’azione di contrasto o di ritegno svolta dai vincoli al contorno; possono anche verificarsi lesioni nel piano delle pareti della torre stessa. La presenza di una muratura regolare e di buona qualità, di catene ai diversi ordini, di adeguata distanza dalle pareti della chiesa (se adiacente), di un buon collegamento con le pareti della chiesa (se inglobata), contribuisce ad un buon comportamento di questo macroelemento; di contro la presenza di aperture significative su più livelli, di un vincolo asimmetrico sulle murature alla base (torre inglobata), di muratura fino a terra solo su alcuni lati (presenza di portico), di torre su pilastri murari, favorisce l’attivazione del meccanismo (“Manuale per la compilazione della scheda per il rilievo del danno ai beni culturali, chiese”).

Il meccanismo M28Cella campanaria si attiva con deformazione nel piano negli archi o alle estremità dei piedritti. Il quadro fessurativo che ne deriva è rappresentato da lesioni negli archi e/o da rotazioni o scorrimenti dei piedritti. La presenza di piedritti tozzi e/o archi di luce ridotta, di catene o cerchiature, contribuisce ad un buon comportamento di questo macroelemento; di contro la presenza di copertura pesante o di altre masse significative, di copertura spingente, favorisce l’attivazione del meccanismo.

  

Caso studio: la risposta del campanile in muratura di mattoni pieni


Si tratta di un campanile in muratura di mattoni pieni e malta, avente le caratteristiche riportate in Tabella 1.

    

Tabella 1 – Dettagli del campanile oggetto di prove sismiche sulla tavola vibrante di Eucentre (PV)
Tabella 1 – Dettagli del campanile oggetto di prove sismiche sulla tavola vibrante di Eucentre (PV)

  

Il campione sarà soggetto a:

  • - Prove di caratterizzazione dinamica sul campanile (prima e dopo ogni "run")
  • Prove dinamiche su tavola vibrante 1D:
    - Campanile nello stato di fatto
    - Campanile riparato + AMD ISAAC +r inforzi con tecniche tradizionali

- Strumentazione (accelerometri, potenziometri, acquisizione ottica degli spostamenti)

  • Protocollo delle prove dinamiche:
    - accelerogrammi naturali scalati fino a condizioni definite.

  

Figura 2 – Cronoprogramma dell’attività sperimentale sul campanile in muratura in mattoni pieni (presentazione Ing. Morandi).
Figura 2 – Cronoprogramma dell’attività sperimentale sul campanile in muratura in mattoni pieni (presentazione Ing. Morandi).

  

Figura 3 – Possibili soluzioni di rinforzo da intraprendere (presentazione Ing. Morandi).
Figura 3 – Possibili soluzioni di rinforzo da intraprendere (presentazione Ing. Morandi).

  

Motivazioni ed obiettivi della ricerca

  1. Amplissima diffusione sul territorio nazionale di campanili in muratura.
  2. Carenza di studi scientifici sistematici sul comportamento e sulla riduzione del rischio sismico su campanili in muratura.
  3. Mancanza di sperimentazioni su tavola vibrante su campanili in muratura in scala reale.
  4. Specificità e vincoli nel progetto di interventi di rinforzo/miglioramento sismico.

Da qui l’esigenza di:

  1. Studiare a risposta sismica di campanili in muratura nello stato di fatto attraverso una sperimentazione dinamica su tavola vibrante integrata da una ricerca numerica.
  2. Valutazione dei possibili interventi per la mitigazione del rischio sismico.
  3. Studio del contributo alla riduzione del rischio sismico con possibili tecniche di rinforzo/miglioramento.

Pertanto, occorre condurre una prova dinamica su tavola vibrante su un campanile in muratura di mattoni in scala reale attraverso:

  • 1. Utilizzo di dispositivi antisismici AMD (Active Mass Damper) sviluppati dalla ditta ISAAC per la riduzione della domanda sismica. In particolare, si tratta di:
    • a. Sistemi attivi per la protezione sismica.
    • b. Le tecnologie di protezione attiva usano dispositivi che “reagiscono” ai terremoti o alle vibrazioni della struttura.
    • c. Active Mass Damper (AMD): masse movimentate da sistemi meccanici le cui oscillazioni sono controllate elettronicamente in ampiezza e frequenza in funzione delle accelerazioni sperimentate dalla struttura.
    • d. Sistema: non invasivo, reversibile.
  • 2. Implementazione di interventi di rinforzo localizzati per l’incremento della capacità sismica.
  • 3. Valutazione del contributo alla riduzione del rischio sismico dei campanili in muratura con dispositivi AMD-ISAAC associati a tecniche «tradizionali» di rinforzo/miglioramento.

  

Figura 4 - Sistema AMD di ISAAC utilizzato per il campanile di Pavia
Figura 4 - Sistema AMD di ISAAC utilizzato per il campanile di Pavia

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