CAPITOLO I
1.1 Introduzione
Il tema della valorizzazione e della salvaguardia dei beni artistici ed architettonici ha una lunga storia nel nostro paese; infatti la prima legislazione in materia risale ai primi del novecento.
La salvaguardia e le relative tecniche di intervento, data la vastità del patrimonio culturale e architettonico italiano, sono state prevalentemente dedicate in passato ad edifici storici, chiese e palazzi di epoca alto medioevale, rinascimentale e barocca, se non addirittura a reperti archeologici risalenti al periodo delle civiltà greca e romana. Edifici che tuttavia, anche quelli ecclesiastici, hanno spesso mutato nel tempo la loro funzione, privilegiando quella museale, con relative tecniche di intervento tese alla conservazione della costruzione a prescindere dal mantenimento della loro funzione.
Negli ultimi anni si è guardato con maggiore sensibilità anche a costruzioni realizzate in periodi più vicini al nostro e con tipologie e usi diversi.
Normalmente tali edifici “moderni”, la cui costruzione risale alla fine dell’ottocento e ai primi anni del novecento, mantengono ancora l’uso per il quale erano stati realizzati e una situazione statica complessivamente buona.
La tendenza attuale è rivolta a preservare e mantenere queste strutture il più a lungo possibile, con interventi mirati a salvaguardarne la funzionalità, la sicurezza nei confronti delle persone che ne usufruiscono ed eventualmente aggiungere nuove funzioni compatibili con quelle originarie. L’interesse alla realizzazione di interventi finalizzati a preservare questi edifici deriva essenzialmente da motivazioni di carattere economico, ma è anche dovuto alla considerazione del loro valore storico e sociale.
Una corretta politica di intervento nei confronti di queste strutture dovrebbe essere rivolta ad una conservazione preventiva e programmata, fondata sulla rilevazione delle situazioni a rischio e la promozione sistematica di pratiche manutentive selezionate e poco invasive, al fine di prolungare i cicli d’efficienza degli interventi nel tempo, con evidenti vantaggi di ordine economico e culturale.
E’ in quest’ottica che s’inserisce la convenzione stipulata dall’Ufficio Tecnico del Comune di Livorno con il Dipartimento di Ingegneria Strutturale dell’Università degli Studi di Pisa, nell’ambito dell’esecuzione dei lavori di restauro del “Mercato Coperto delle Vettovaglie” di Livorno per una valutazione dell’attuale grado di sicurezza delle capriate metalliche del salone principale del mercato.
Tale studio ha come scopo precipuo quello di valutare la situazione statica della struttura e verificare che siano soddisfatte le indispensabili esigenze di resistenza, stabilità dell’equilibrio ed efficienza funzionale necessarie per la sicurezza delle persone che vi accedono o lavorano al suo interno, quantificando gli attuali margini di sicurezza nei confronti di una qualsiasi modalità di crisi strutturale.
1.2 Valutazione delle risorse meccaniche di sicurezza di una
struttura storica
L’analisi del comportamento strutturale di una costruzione storica richiede, in generale, l’elaborazione di un modello di calcolo teorico basato su metodi teorici, analitici o numerici, quale ad esempio il metodo agli elementi finiti, in grado di simulare realisticamente il comportamento meccanico, statico e dinamico, della intera struttura portante.
La modellazione fisica e le indagini su prototipi, trovano oggi applicazione solitamente nei programmi di ricerca, in particolare per lo studio del comportamento a fatica o del comportamento statico oltre il campo lineare; in termini di costi e di tempo questi modelli non sono competitivi con quelli numerici.
Lo sviluppo del modello teorico è sempre subordinato alla conoscenza della geometria della struttura e alla caratterizzazione meccanica degli elementi strutturali. Il suo successivo affinamento, che permette di convalidarne l’utilizzo quale efficiente strumento di diagnosi strutturale, avviene generalmente attraverso l’esecuzione di una campagna di prove di carico statiche e dinamiche che consentono di confrontare l’output del modello con il reale comportamento dell’opera1.
Il processo di analisi di una struttura storica può suddividersi in quattro fasi fondamentali:
1 ) fase di analisi preliminare: esame generale dell’opera (indagine storica, operazioni di rilievo)
2 ) indagini sperimentali: elaborazione di un modello interpretativo preliminare, programmazione ed esecuzione della campagna di indagini sperimentali
3 ) processo di identificazione strutturale: analisi ed interpretazione dei risultati delle prove sperimentali e taratura del modello di calcolo teorico
4 ) diagnosi strutturale: valutazione del grado di sicurezza attuale della struttura (eventuale scelta e progettazione di interventi di consolidamento e controllo di efficienza degli interventi proposti).
1.2.1 Fase di analisi preliminare
La valutazione delle residue risorse di sicurezza di una struttura storica e l’eventuale progettazione di interventi finalizzati alla sua conservazione devono necessariamente scaturire da una approfondita conoscenza della struttura oggetto di studio. Tale conoscenza può essere acquisita solo attraverso una fase diagnostica accurata che si avvalga, come detto, di opportune indagini sperimentali.
Frequentemente, nello studio di costruzioni antiche quale quella in esame, edificata verso la fine del XIX secolo, non si può disporre di un’adeguata documentazione d’archivio sul progetto iniziale, sulle modifiche intercorse nelle varie fasi costruttive, sulla qualità dei materiali utilizzati e sulle metodologie costruttive adottate. In questi casi è necessario recuperare attraverso indagini storiche tutta la documentazione esistente che possa fornire utili indicazioni sulla concezione dell’edificio, sulle tecniche e le capacità adottate per la sua costruzione e su tutte le modifiche intercorse nel tempo attraverso le quali l’opera è passata fino a raggiungere lo stato attuale. Interessa in particolar modo ricostruire la storia dei vari interventi di restauro o modifica e registrare le variazioni delle condizioni ambientali e le vicissitudini dei carichi esterni, con particolare attenzione agli eventi di carattere eccezionale, quali fenomeni sismici, bombardamenti ecc.
La documentazione raccolta attraverso questa indagine storica non è sufficiente a definire un quadro generale sullo stato attuale dell’opera; la fase di analisi preliminare si conclude attraverso le ispezioni in sito e l’esecuzione di rilievi fotografici e metrici che consentano di definirne la geometria generale, di schematizzarne le azioni esterne e di
1
“I metodi dell’analisi sperimentale delle strutture, … , sostanzialmente consistono nella misura dei
movimenti che le strutture stesse manifestano in corrispondenza dei loro punti più significativi; è possibile quindi rendersi conto, confrontando tra loro le deformazioni sperimentali e teoriche, ma soprattutto rilevandone vari valori al crescere dei carichi e controllandone l’entità residua una volta scaricata la struttura, se dal comportamento dell’opera venga soddisfacentemente seguita la legge di Hooke, la cui buona osservanza è in genere garanzia notevole che stadi critici per il materiale non sono stati ancora
individuare gli elementi con funzione strutturale e la loro connessione con gli elementi portati. La diretta osservazione della struttura è una fase essenziale di studio perchè permette di svolgere i primi “ragionamenti” sul suo funzionamento e di pianificare la successiva campagna di indagini sperimentali.
1.2.2 Indagini sperimentali
Tra queste, in primo luogo, vanno inserite le prove di caratterizzazione meccanica dei materiali strutturali. L’affidabilità dei risultati ottenibili con i modelli numerici è fortemente influenzata dalle ipotesi di base assunte in termini di parametri di rigidezza, elasticità e deformabilità del materiale. Nel caso specifico, trattandosi di una struttura metallica, questa indagine è stata compiuta per mezzo di prove standard a trazione su provini ricavati da un saggio di catena di una capriata trasversale.
La pianificazione delle prove di carico è invece subordinata allo sviluppo del modello di calcolo preliminare che consente di svolgere una stima di prima approssimazione sul grado di sicurezza della struttura e di determinare conseguentemente un valore ammissibile del massimo carico di prova che possa essere applicato in sicurezza, cioè tale da indurre, nei diversi elementi strutturali, uno stato di tensione che sia cautelativamente inferiore alla soglia di snervamento degli elementi stessi e che consenta anche di escludere con sicurezza l’insorgere di fenomeni di instabilità.
Le prove per la misura della risposta strutturale hanno lo scopo rilevare il comportamento meccanico della struttura stessa, senza penalizzarne la funzionalità e l’efficienza, e di valutare l’affidabilità del modello strutturale adottato (schema geometrico e strutturale, vincoli, caratteristiche dei materiali).
Tali prove si distinguono in:
• prove di carico statiche
• prove dinamiche.
Le prime consistono nel caricare progressivamente la struttura secondo schemi di carico predefiniti e nel monitorare i conseguenti spostamenti, deformazioni e stato tensionale in alcuni suoi punti da confrontarsi poi con l’output del modello teorico.
L’esecuzione di indagini dinamiche consiste invece nella rilevazione ed interpretazione dei dati relativi alla risposta della struttura soggetta ad una eccitazione di tipo dinamico. Questo tipo di indagine permette di caratterizzare il comportamento dinamico della struttura attraverso l’individuazione dei parametri modali (frequenze proprie, forme modali e smorzamenti) che andranno anche questi confrontati con i valori teorici derivanti dall’analisi del modello di calcolo.
Le sollecitazioni dinamiche che vengono indotte sulla struttura o che sono presenti al momento della registrazione dei dati possono essere di due tipi: sollecitazioni deterministiche (impulsi, forzanti sinusoidali) e sollecitazioni random o casuali (ad es. eccitazione ambientale). Nel caso in esame si è adottata una forzante di tipo impulsivo indotta da una massa battente in caduta libera da determinate altezze.
1.2.3 Identificazione strutturale
Il passo successivo all’esecuzione delle prove sperimentali e all’analisi dei risultati è il processo di identificazione strutturale.
L’identificazione delle caratteristiche fisico-meccaniche di un sistema strutturale è un problema inverso rispetto a quello che si affronta nella progettazione.
Se si considera un generico sistema strutturale (v. fig.1.1), è possibile distinguere i problemi che lo riguardano in due differenti categorie: problemi diretti e problemi inversi.
Figura 1.1 Sistema strutturale
Si definiscono diretti quei problemi che consistono nella creazione di un modello numerico attraverso il quale sia possibile valutare la risposta del sistema quando questo è sottoposto a determinate azioni esterne.
Si definiscono inversi tutti quei problemi per i quali la risposta del sistema strutturale costituisce sempre un’informazione disponibile; in base alle ulteriori informazioni note, questi problemi possono classificarsi in:
• problema di progetto: nota l’azione esterna e considerando le limitazioni imposte alla risposta, si progetta il sistema
• problema di controllo: data la descrizione del sistema e la risposta richiesta, si determina l’azione necessaria a produrla
• problema di identificazione: data l’azione esterna e nota sperimentalmente la risposta conseguente, si determina un modello del sistema strutturale.
La problematica dell’identificazione strutturale (fig. 1.2) rientra dunque tra i problemi indiretti ed è svolta generalmente attraverso la scelta di appropriati algoritmi di ottimizzazione che consentono la calibrazione del modello numerico: alternativamente è possibile adottare modelli di tipo parametrico caratterizzati dall’assunzione di un modello matematico basato su un set di parametri che vengono direttamente stimati durante l’identificazione.
Figura 1.2 Processo di identificazione strutturale
L’applicazione delle tecniche di identificazione a sistemi strutturali ha conosciuto negli ultimi decenni un notevole sviluppo: l’apporto dell’identificazione risulta particolarmente importante nel monitoraggio e nell’intervento su strutture esistenti e nel collaudo di nuove costruzioni.
I risultati della sperimentazione ed il successivo processo di identificazione costituiscono la base di riferimento per costruire modelli numerici in grado di riprodurre le risposte sperimentali misurate. Generalmente infatti, l’output del modello teorico preliminare non rispecchia il reale comportamento della struttura: le risposte che si possono ottenere con la modellazione agli elementi finiti dipendono fortemente dalle ipotesi di base assunte in termini di condizioni di vincolo, proprietà meccaniche ecc. E’ dunque fondamentale verificare queste ipotesi; se si dispone di informazioni sul reale comportamento della struttura, allora il modello può essere corretto in modo da ridurre le differenze tra la struttura e il modello stesso. Queste correzioni vengono eseguite con tecniche dette di model updating.
AZIONE
SISTEMA
STRUTTURALE
RISPOSTA
CARATTERISTICHE DA DETERMINARE
(mediante Identificazione strutturale) • Proprietà meccaniche della struttura INFORMAZIONI NOTE
• Risposta meccanica misurata o dedotta indirettamente dalle misure
• Caratteristiche geometriche della struttura e localizzazione dei punti di misura
• Azioni statiche o dinamiche agenti sulla struttura
Il modello teorico, che si ottiene dopo il processo di identificazione, validato e calibrato sulla base dei dati sperimentali, può essere impiegato come realistico mezzo di analisi dello stato attuale di sollecitazione e di verifica del grado di sicurezza, nonché quale strumento di progettazione, qualora si voglia analizzare l’effetto di modifiche strutturali o variazioni delle azioni sollecitanti. Può essere utilizzato anche per l’individuazione di fenomeni di danneggiamento strutturale o di deterioramento delle caratteristiche meccaniche dei materiali, attraverso l’analisi delle correzioni apportate sul modello originario.
Le informazioni necessarie possono ricavarsi da prove sperimentali di tipo statico o dinamico (v. fig. 1.3).
Figura 1.3 Confronto prove statiche e dinamiche
Le prove statiche presentano l’indubbio vantaggio di ricavare informazioni sulla struttura in modo diretto (deformata statica), con le quali è immediato correggere il modello; per contro le prove dinamiche sono in grado di fornire un numero di informazioni più elevato, ma richiedono un impegnativo lavoro di analisi a posteriori e l’impiego di tecniche avanzate di identificazione strutturale.
1.2.4 Diagnosi strutturale
La diagnosi strutturale si colloca come cerniera tra l’analisi del comportamento strutturale e la decisione sugli interventi da intraprendere: suo obiettivo è la valutazione del livello di sicurezza della struttura nei confronti di una situazione di esercizio attuale oppure ipotetica. Tale valutazione consiste in definitiva nella determinazione dei diversi coefficienti di sicurezza in relazione alle possibili modalità di crisi strutturale: nel caso in esame, trattandosi di una struttura metallica in soluzione reticolare, sono state prese in considerazione la crisi per raggiungimento dello stato limite elastico per tensioni normali di trazione/compressione nelle sezioni maggiormente sollecitate e la crisi nei confronti dei fenomeni d’instabilità locale (cioè della singola asta) e globale.
Se il grado di sicurezza è sufficiente, si può evitare qualsiasi intervento di tipo strutturale e limitarsi ad eventuali interventi di manutenzione atti a rallentare o arrestare il degrado dei materiali.
In caso contrario, ove si renda necessaria la progettazione di un generico intervento di consolidamento atto a preservare la sicurezza statica e la funzionalità della struttura, questo dovrà soddisfare determinate esigenze di reversibilità, compatibilità tra materiali utilizzati e materiale esistente ecc., in modo tale da risultare il meno invasivo possibile nei confronti della struttura. Intendendo con tale accezione anche la necessità di non modificare i rapporti di rigidezza tra i vari elementi portanti di una struttura che nel tempo ha trovato i propri equilibri sia dal punto di vista statico che dinamico.
Utile a questo proposito può essere un approccio alla progettazione di tipo incrementale, partendo con un livello minimo di intervento, prevedendo la possibilità di adottare in seguito una serie di misure supplementari o correttive.
L’efficienza di un tale intervento potrà essere convalidata attraverso la simulazione numerica dei suoi effetti con il modello comportamentale derivante dalle precedenti fasi di indagine.
1.3 Organizzazione della tesi
Nella presente tesi verranno descritte nel dettaglio tutte le operazioni che hanno consentito di formulare un giudizio diagnostico esaustivo sulla struttura metallica di copertura del Mercato Coperto delle Vettovaglie di Livorno.
La fase di indagine storica e la progettazione dei dispositivi di attuazione del carico per l’esecuzione delle prove di carico statica e dinamica è stata fatta oggetto di studio della tesi “Le capriate metalliche del Salone Centrale del Mercato Coperto di Livorno. Storia della costruzione e progetto delle prove di carico” [2] del collega laureando Giacomo Luciani.
Alla tesi, articolata in 9 capitoli, si premette una breve sintesi del contenuto di ciascuno:
Capitolo I - Sono descritte sinteticamente le varie fasi del processo di analisi
strutturale di una costruzione storica.
Capitolo II - Si procede ad una descrizione generale della struttura in esame ed in
particolare alla definizione della geometria della copertura metallica oggetto di studio, ottenuta attraverso le operazioni di rilievo.
Capitolo III - Vengono descritte le modalità di esecuzione ed i risultati delle prove di
caratterizzazione meccanica di un saggio di materiale prelevato dalla struttura.
Capitolo IV - Attraverso la definizione di un modello di calcolo semplificato, si
riferisce sulle analisi effettuate per una prima stima approssimata del livello di sicurezza della struttura e per la determinazione di un carico di prova ammissibile.
Capitolo V - Vengono descritte le modalità di esecuzione della campagna di prove
statica e dinamica.
Capitolo VI - Viene descritto il modello di calcolo F.E.M. spaziale con il quale
verranno confrontati i risultati sperimentali.
Capitolo VII - Si riproducono i risultati della prova di carico statica e si confrontato
con quelli teorici. Si riferisce sul processo di identificazione strutturale svolto attraverso la correzione del modello teorico con i dati della sperimentazione statica.
Capitolo VIII - Si riferisce sui primi risultati ottenuti dall’analisi dei dati della prova
dinamica effettuata e si ipotizzano eventuali futuri approfondimenti relativi allo studio della struttura in ambito dinamico.
Capitolo IX - Il modello di calcolo “tarato” derivante dal processo di identificazione
strutturale viene utilizzato per la valutazione del grado di sicurezza attuale della struttura. Si traggono le conclusioni relative alla situazione statica della struttura in esame.
