CAPITOLO 1 LA VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA DI TORRI E CAMPANILI

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CAPITOLO 1

LA VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA

DI TORRI E CAMPANILI

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1.1

INTRODUZIONE

La valutazione della sicurezza di torri e campanili in muratura è uno dei temi centrali nell’ambito della conservazione del patrimonio architettonico di valore monumentale: basti pensare all’interesse suscitato in tutto il mondo dagli interventi sulla Torre Pendente di Pisa, o ricordare i crolli improvvisi del campanile di San Marco in Venezia (1902), della torre Civica di Pavia (1989) (figure 1.1 e 1.2), del campanile della chiesa di S. Magdalena di Goch (Germania, 1992), o, infine, il crollo, conseguente ai danni dovuti al recente terremoto, della torre campanaria del Palazzo Municipale di Foligno [1].

fig. 1.1 :La Torre Civica di Pavia fig. 1.2 : Resti della Torre Civica crollata il _17/3/1989

Uno studio condotto da docenti del Politecnico di Milano fornisce un’importante classificazione, ottenuta suddividendo una popolazione di circa 60 torri localizzate nell’Italia centro-settentrionale, in 4 categorie in base al periodo storico di edificazione, alla destinazione d’uso, alle dimensioni ed al tipo di tessitura muraria,

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cap1. La valutazione della sicurezza di torri e campanili __________________________________________________________________________________________

prendendo in considerazione anche alcuni possibili fenomeni di danneggiamento o di dissesto che le possono interessare[3].

Le quattro categorie sono:

a) le torri consortili risalenti ai secoli XI-XIII: furono costruite dalle ricche famiglie cittadine con funzione sia difensiva, ottenuta mediante pochissime aperture ed un ingresso sopraelevato, che di rappresentanza. Presentano una pianta pressoché quadrata di 7-10 m di lato, notevole sviluppo in altezza (fino a 60-70 m) e paramenti murari a sacco oppure monolitici;

b) le case-torri (figura 1.3), edificate nei secoli XII-XIII con prevalente funzione abitativa: sono caratterizzate da aperture più numerose rispetto alle precedenti e dall’ingresso situato al piano della strada. Di solito hanno una struttura piuttosto massiccia, pianta rettangolare 7x10 m ed altezza di 20-30 m;

c) i campanili (figure 1.4 e 1.5) hanno generalmente scarse aperture nella parte inferiore ed ampie in quella superiore, in corrispondenza della cella campanaria. Possono essere incorporati nelle chiese oppure esserne separati;

d) le torri appartenenti a cinte murarie: assumono diverse conformazioni secondo la posizione nella fortificazione. Possono, infatti, essere aperte verso l’interno della rocca, presentando una forma a C, oppure essere completamente chiuse (figura 1.6).

Per poter correlare queste quattro categorie con alcuni fenomeni di danneggiamento o di dissesto si deve considerare la concomitanza di due principali condizioni: il tipo di muratura e il tipo di terreno.

In base al tipo di muratura e alla geometria della torre si possono avere principalmente due tipi di dissesti: se la struttura è molto slanciata o è fondata su un terreno molto compressibile, è probabile che questa perda la propria verticalità e, se la torre è caratterizzata da una esile muratura o da un sacco scadente e quindi da elevate compressioni, è probabile che questa si lesioni subendo il fenomeno dello

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fig. 1.3: Casa torre a Volterra (Pisa)

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fig. 1.5: Torre Campanaria a San Sepolcro (Arezzo)

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Dall'analisi delle manifestazioni di degrado è possibile riconoscere il tipo di dissesto statico e quindi comprendere quali siano o siano state le cause perturbatrici.

Lo schiacciamento (figura 1.9) si manifesta usualmente con lesioni ad andamento pressoché verticale, in prevalenza nella parte centrale e inferiore di tutte le pareti, causate dal notevole livello delle tensioni di compressione, dovute al peso proprio [2]. La perdita di verticalità è di solito generata da cedimenti differenziali del terreno ed è caratterizzata da lesioni verticali nella parete a valle dovute alle eccessive tensioni di compressione che nascono per effetto dell'inclinazione della struttura e da lesioni oblique nei paramenti murari che collegano le pareti di monte e di valle generate dai notevoli sforzi di taglio indotti anch’essi dall’inclinazione della struttura (figure 1.10 e 1.11) [3].

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fig. 1.10: Quadro fessurativo per ribaltamento nella torre Garisenda a Bologna [3]

fig. 1.11: Quadro fessurativo per ribaltamento nel campanile di Monastier, Treviso [3]

Il degrado può interessare anche gli strati interni delle murature, concentrato laddove siano presenti difetti, vuoti o discontinuità.

La elevata snellezza che generalmente contraddistingue torri e campanili rende tali strutture particolarmente vulnerabili, non solo per le elevate sollecitazioni presenti alla loro base, ma anche a causa della loro spiccata sensibilità agli effetti delle

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variazioni termiche e, soprattutto, delle azioni dinamiche: azioni sismiche, azioni generate dal moto delle campane (figura 1.7) o dovute alle vibrazioni indotte dal traffico o dal vento.

fig. 1.7: Azione dinamica delle campane

Ciascun tipo di azione, statica o dinamica, è chiaramente connessa con una possibile modalità di collasso della struttura o quantomeno con un particolare danno strutturale. I carichi verticali possono provocare fenomeni di schiacciamento della muratura, come nel caso della torre campanaria del Duomo in Monza [4], o cedimenti del terreno di fondazione e quindi sollecitazioni aggiuntive indotte dall’inclinazione, come ad esempio nella torre Garisenda in Bologna [3]. Molti quadri fessurativi testimoniano poi l’azione di degrado legata alle variazioni termiche [3].

Tali fenomeni sono spesso causati e/o aggravati dalle modifiche dell’assetto strutturale che le torri spesso hanno subito nel corso dei secoli, quali, ad esempio, sopraelevazioni (Torre Civica di Pavia), parziali demolizioni (case torri che venivano “mozzate” quando la famiglia proprietaria cadeva in disgrazia) o interventi ancor più pesanti come quello che ha interessato la Torre di Matilde a San Miniato, dove, su uno dei lati, la parte inferiore del muro è stata sostituita da un arco per fare posto all’abside della chiesa (figura 1.8).

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fig. 1.8: Torre di Matilde a San Miniato (Pisa)

In presenza di segnali di danneggiamento, al fine di comprendere il tipo di dissesto a cui sono legati e quindi risalire alle cause che lo hanno determinato, è utile effettuare il rilievo del quadro delle manifestazioni di degrado ed il monitoraggio di tale quadro nel tempo; il monitoraggio può consistere nella misura della variazione di ampiezza delle lesioni, dell'inclinazione della torre, o nella ripetizione a distanza di tempo di prove di caratterizzazione dei materiali e di misure della risposta statica e dinamica . Per la misura della variazione dell’ampiezza di una fessura può essere utilizzato un estensimetro meccanico, caratterizzato dalla semplicità di trasporto ed utilizzo, che richiede il posizionamento di due placchette che costituiscono la base di misura posta a cavallo della lesione e che permettono di ripetere nel tempo la misura.

Per la misura dell’inclinazione possono essere usati degli strumenti appositi detti inclinometri: i sensori contengono un liquido non tossico che lavora come dielettrico di un condensatore e ogni inclinazione del sensore, rispetto alla gravità terrestre,

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provoca una variazione proporzionale della capacità che viene rilevata dall’elettronica dello strumento e convertita in un segnale analogico o digitale. Si può misurare l’inclinazione anche mediante le misure effettuate con un teodolite.

Per la caratterizzazione dei materiali esistono molti tipi di indagini, che si possono dividere in tre grandi categorie: distruttive, parzialmente distruttive e non distruttive. Nella tabella seguente è possibile vedere il tipo di prove non distruttive e quelle parzialmente distruttive più comunemente utilizzate, suddivise in base al tipo di materiale da indagare (figura 1.9) [5][14].

Controlli radiografici Controlli ultrasonici

Controlli magnetici Materiale

metallico

Controlli con liquidi penetranti Controlli ultrasonici Sclerometro Prova di estrazione Sonda Windsor Pull-out test Calcestruzzo pacometro Martinetti piatti Indagini termografiche Esami endoscopici muratura carotaggi

fig. 1.9: Prove sui materiali

Le prove dinamiche possono essere utili per la verifica dell’integrità della struttura, per l’individuazione di eventuali zone danneggiate, per il controllo del danneggiamento nel tempo e dell’efficacia delle eventuali opere di rinforzo strutturale.

I numerosi studi compiuti sui resti della Torre Civica di Pavia hanno permesso di osservare l’influenza sulla muratura del tempo di applicazione oltre che dell’entità dei carichi (principalmente il peso proprio), dell’interazione terreno-struttura e di stimare alcuni valori significativi per la resistenza a compressione ed il modulo elastico [1][6][10].

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Nel caso di azioni dinamiche, oltre alla vulnerabilità alle azioni sismiche, devono essere analizzati i possibili danni, se pur in genere di minor entità, causati da vibrazioni indotte da azioni di altra natura: tipico è il caso delle torri campanarie in cui l’azione trasmessa dalle campane è spesso causa di danni rilevanti a strutture ad esse adiacenti o annesse.

In questi casi, pur non potendo prescindere dalle analisi locali sullo stato di degrado delle murature, assume grande importanza l’analisi della risposta strutturale ad azioni di natura dinamica, siano esse vibrazioni ambientali o forzate, generate mediante attuatori dinamici o, nel caso di torri campanarie, sfruttando l’azione dinamica conseguente al moto delle campane [7]. Numerosi fenomeni fisici possono essere responsabili delle vibrazioni che interessano le costruzioni, ma in ogni caso è possibile classificare le sorgenti delle vibrazioni in due gruppi: quello delle vibrazioni prodotte all’interno delle costruzioni e quello delle vibrazioni che si originano al loro esterno.

Nel primo gruppo rientrano tutte le attività umane, che comprendono sia le attività produttive che quelle ricreative e, nel caso dei campanili, importanti sono le azioni indotte dal moto delle campane; nel secondo gruppo rientrano invece il traffico veicolare, tanto quello stradale che ferroviario, sia in superficie che in sotterraneo, le attività industriali e le vibrazioni di origine ambientale, quali quelle prodotte dal vento, dai terremoti e dal moto ondoso.

Le vibrazioni del primo gruppo si propagano direttamente nell’ambito delle costruzioni nelle quali sono state prodotte, mentre le seconde si propagano preliminarmente attraverso il terreno, subendo di conseguenza fenomeni di filtraggio, riflessione e rifrazione e, quindi, per mezzo delle fondazioni raggiungono la sovrastruttura [9].

La valutazione delle vibrazioni indotte dal traffico negli edifici ubicati al bordo delle sedi stradali rappresenta un problema che ancor oggi non riesce a trovare risposte quantitative. Gli effetti vibratori indotti sono connessi da un lato con le caratteristiche di irregolarità dei piani stradali e con le caratteristiche meccaniche dei materiali costituenti le sovrastrutture stradali, dei terreni attraverso i quali le vibrazioni si propagano e della risposta dinamica degli edifici esposti, e dall’altro con le caratteristiche dinamiche dei veicoli transitanti. Lo studio delle vibrazioni indotte dal traffico su edifici di particolare interesse monumentale o storico riveste una notevole importanza, soprattutto nei centri storici di città d’arte[8].

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1.2 IL MOTO DELLE CAMPANE E LA LORO AZIONE DINAMICA

Nella maggioranza dei casi, come accennato in precedenza, le azioni che principalmente sollecitano una torre campanaria, determinandone talvolta un processo di degrado accelerato, sono quelle dinamiche dovute alla movimentazione delle campane. Le campane sono “strumenti musicali” di regola realizzati in lega di bronzo e la cui origine si perde nella notte dei tempi. Note sin dal II millennio a.c. in Cina ed in Egitto, si sono poi diffuse in tutto il mondo con svariate forme e dimensioni mantenendo inalterata la loro funzione di segnalare eventi civili (scansione del tempo cittadino, adunate dei consigli comunali), religiosi (inizio e fine delle celebrazioni liturgiche), militari (apertura e chiusura delle porte cittadine, eventuali attacchi esterni alla città). A partire dal XV secolo le campane di bronzo assumono la forma caratteristica che è rimasta pressoché invariata fino ad oggi (figure 1.15-1.17).

In Italia esistono molte modalità con cui vengono suonate le campane, siano esse motorizzate (mosse da un motore elettrico o elettromeccanico) o azionate a mano, in virtù delle diverse tradizioni locali e liturgiche. Tra le più conosciute si possono ricordare quella cosiddetta ambrosiana (fig. 1.15), quella a sbalzo o alla romana (fig. 1.16), quella a tastiera o genovese, quella veronese, ecc.

fig. 1.15: Campane con azionamento all’ambrosiana. fig. 1.16: Campana con azionamento alla romana.

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cap1. La valutazione della sicurezza di torri e campanili __________________________________________________________________________________________ mozzo maniglie asse di rotazione vaso batacchio

fig. 1.17: La campana ed il suo funzionamento.

In tutte queste tecniche il suono della campana è generato dall’impatto del batacchio che durante il moto urta il vaso (figura 1.17). La tonalità del suono così prodotto dipende essenzialmente dalle caratteristiche geometriche e meccaniche del manufatto.

Le azioni che la campana induce sulla struttura di sostegno (sia essa in legno, acciaio od in muratura) dipendono fortemente dalle caratteristiche geometriche e meccaniche della stessa (massa, distanza del baricentro dall’asse di rotazione, peso specifico del materiale, ecc…) e dal tipo di motore che la mantiene in moto (angolo massimo raggiunto, frequenza, ecc).

Nello studio del comportamento dinamico di torri e campanili, può risultare molto utile impiegare come forzante l’azione generata dal moto delle campane per la facilità con cui è possibile produrla e soprattutto perché si tratta della sollecitazione cui questo tipo di strutture sono usualmente soggette. A questo scopo è possibile suddividere i diversi modi di suonare le campane in due gruppi a seconda del fatto che esse possano o meno raggiungere e fermarsi nella posizione “a bicchiere” cioè con la bocca del vaso rivolta verso l’alto.

Nelle tradizioni ambrosiana e veronese (diffuse in molte zone dell’Italia settentrionale) la campana raggiunge la posizione a bicchiere ed il batacchio colpisce il vaso per caduta rimanendo in seguito appoggiato alla campana, mentre nel sistema alla romana (tipico del centro e sud d’Italia) la campana arriva al massimo a 90° ed il batacchio, acquistando maggior velocità, la colpisce nella parte superiore staccandosene immediatamente dopo.

Naturalmente in queste diverse tecniche l’insieme della campana e dei suoi organi accessori sono differenti ( si vedano fig. 1.15 e 1.16); infatti nelle modalità

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dell’asse di rotazione, che permette alla campana di fermarsi con la bocca verso l’alto, mentre nella tecnica alla romana il batacchio ha una forma più allungata rispetto alle precedenti per poter acquistare una maggiore velocità e colpire la campana quando questa raggiunge la massima angolazione.

La presenza di un contrappeso nelle campane delle tradizioni ambrosiana e

veronese fa sì che generalmente, nonostante la campana raggiunga un angolo di

180°, la spinta sul sostegno sia minore rispetto a quella ottenuta nella tradizione alla

Romana (che raggiunge i 90°) in virtù della ridotta distanza del baricentro dal fulcro.

L’estrema varietà delle geometrie, dei sistemi di montaggio e di azionamento e dei meccanismi di dissipazione dovuti agli attriti non consentono di prevedere in modo accurato le azioni trasmesse dalle campane durante il loro moto; si deve così ricorrere a misure sperimentali dirette accompagnate da un rilievo geometrico e dalla pesatura delle campane.

1.3 ANALISI DINAMICA SU BASE SPERIMENTALE DELLE STRUTTURE

Per la rappresentazione delle vibrazioni è, in linea di principio, irrilevante quale dei tre parametri cinematici (accelerazione , velocità o spostamento) venga utilizzato. Tuttavia, per ragioni legate alla sensibilità della misura, la rilevazione dello spostamento è più conveniente nel caso di vibrazioni a bassa frequenza, mentre le misure di velocità e di accelerazione sono più convenienti in presenza di componenti armoniche di frequenza più elevata [11].

Ai fini dell’esecuzione dell’analisi in frequenza della risposta strutturale, viene normalmente scelto il parametro di velocità o il parametro di accelerazione, in base alle indicazioni della normativa che si applica.

Lo schema di funzionamento di un sistema di misura delle vibrazioni è rappresentato in forma schematica in figura 1.14. In essa si riconoscono il sensore ed il suo sistema di alimentazione, il dispositivo per l’integrazione del segnale, il filtro passa basso ed il sistema di rappresentazione dei risultati.

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ACCELEROMETRI

INPUT AMPLIFI_

CATORE (velocità &

INTEGRATORE FILTRI spostamento) DETECTOR CONVER_ LIN-LOG CONTATORE PASSA ALTO PASSA BASSO GENERATORE CALIBRAZIONE CORRENTEDI FORNITORE BATTERIA AUSILIARIA ESTERNA o ENERGIA _FILTRI ESTERNI OUTPUT AC DC LIN OUTPUT DC LOG OUTPUT & DI TITORE

fig. 1.14: Rappresentazione schematica di un sistema di misura delle vibrazioni

Partendo dai dati sperimentali, l’analisi modale cerca di caratterizzare un sistema vibrante attraverso uno dei possibili modelli discretizzati (matrici di massa, smorzamento e rigidezza) che possono descriverlo e quindi l’analisi modale sperimentale è essenzialmente rivolta alla soluzione dei problemi inversi nel campo della dinamica strutturale.

Nel campo delle applicazioni agli edifici esistenti molti fattori entrano in gioco nel determinare le caratteristiche dinamiche delle strutture e talvolta le registrazioni sono affette da errori o disturbi da rendere difficile la ricostruzione delle forme modali; in questi casi l’analisi modale sperimentale si avvale di tecniche differenti di elaborazione dei segnali elettrici registrati, con il supporto anche di un modello numerico agli elementi finiti. Poi, tramite una elaborazione statistica dei dati ricavati dal trattamento dei segnali, è possibile ripulire i risultati ottenuti risalendo alle frequenze proprie di vibrazione e alle forme modali della struttura.

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Riferimenti Bibliografici

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problems for their safety assessment, Proc. of International IABSE Conference on Composite Construction – Conventional and Innovative, Zurich, pagg. 699-704.

[3] Binda L., Bertocchi E., Trussardi D.,(1997), Torri in muratura: una metodologia

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[4] Binda L., Tiraboschi C., Tongini Folli, R.,(1998), On site and laboratory

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[8] Cristiani Testi. M.L.,(1967), San Miniato al Tedesco : saggio di storia urbanistica

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[9] Lotti, D., (1980), San Miniato : vita di un'antica città, SAGEP, Genova.

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