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Tesi etd-09212017-220340


Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
PATRICIELLO, DEBORA
URN
etd-09212017-220340
Title
ANALISI STORICA E DELLA VULNERABILITA' DEL CHIOSTRO DELLA FORESTERIA
Struttura
INGEGNERIA CIVILE E INDUSTRIALE
Corso di studi
INGEGNERIA EDILE E DELLE COSTRUZIONI CIVILI
Supervisors
relatore Prof. Salvatore, Walter
correlatore Prof.ssa Karwacka, Ewa Jolanta
correlatore Ing. Caprili, Silvia
Parole chiave
  • CERTOSA CALCI
  • CHIOSTRO DELLA FORESTERIA
Data inizio appello
10/10/2017;
Consultabilità
Completa
Riassunto analitico
l’Italia è un territorio ricco di testimonianze e bellezze artistiche e archeologiche. Questa tesi va ad inserirsi in un’ottica di conservazione del nostro patrimonio culturale; in questa si vanno ad inserire anche le problematiche di carattere sismico del nostro costruito.
In tale ambito di studio è stata focalizzata l’attenzione sulla Certosa di Pisa, un edificio monumentale che costituisce un patrimonio di inestimabile valore e incomparabile bellezza.
Il complesso, nato nel 1366, nel corso della sua lunga vita ha visto avvicendarsi periodi fiorenti seguiti da periodi di decadenza, l’ultimo dei quali condusse al definitivo abbandono della Certosa nel 1969 da parte dei suoi monaci. Agli inizi del Novecento, la comunità certosina era ormai ridotta a poche unita e furono costretti a convivere con le istituzioni di passaggio. In questo periodo la Certosa infatti fu occupata dai militari come un ospedale per i prigionieri feriti.
Nel 1972, gli ultimi due monaci lasciarono definitivamente la Certosa di Calci, che gradualmente si andò sempre più degradando, al punto che, per la sua sopravvivenza, si decise nel 1979 di destinare alcuni degli spazi dell’ala occidentale del monastero alla realizzazione del Museo di Storia Naturale e del Territorio, inaugurato nel 1986, affidandoli al dipartimento universitario pisano di Scienze della Terra. Questo momento risulta essere molto importante per il mantenimento dell’intero complesso monastico; rimangono però alcune aree attualmente chiuse al pubblico, fortemente degradate, che necessitano di urgente restauro, sia architettonico che strutturale.
Si pongono cosi le basi per uno studio e analisi sul tema del recupero, restauro e riqualificazione del Bene, finalizzato a valutare le condizioni di conservazione e la vulnerabilità sismica evidenziando gli elementi di maggiore criticità e fornendo spunti per indagini più approfondite.
Tra le aree maggiormente degradate è stata individuata la zona di ambito di studio: il chiostro delle foresterie; Il chiostro delle foresterie, anche detto granducale o del priore, ha avuto una forte trasformazione nel corso tempo.
Nel 1384 venne costruito il piano terra del chiostro, andandosi ad inserire in un contesto già delineato e realizzato; La parte superiore fu costruita nel 1471; Nel 1606 cominciarono i lavori di ammodernamento anche nella parte orientale del monastero, con la costruzione della foresteria nuova e di una cisterna. Al piano terra venne realizzata una pilastratura a sostegno del percorso aereo del piano superiore. Questa conformazione, oltre a comportare una diversa organizzazione degli spazi monastici, comporta una nuova distribuzione degli sforzi.
Nel 1614 fu eseguito il tamponamento del livello inferiore del chiostro. Nel 1769 sotto il suo priorato fu realizzata la foresteria granducale; per l’esecuzione della foresteria furono demoliti i muri che dividevano una sala ed una camera e costruire tre maschi murari per separare gli spazzi.
Venne realizzata la “galleria dei quadri” e una piccola stanza attigua, la cappellina e il terrazzo coperto. Dopo questi lavori si instaurano nuove distribuzioni degli sforzi e un comportamento completamente diverso della fabbrica nei confronti di azioni esterne.
Altro problema è stata la realizzazione del terrazzo coperto; essendo un vero e proprio ampliamento della fabbrica realizzato successivamente rispetto alle altre parti del monastero, funziona da “perno” che si oppone alla spinta della parete frontale delle foresterie. Presumibilmente potrebbero essere nati quindi dei cinematismi di rotazione o ribaltamento della facciata laterale che ha come vincolo l’intersezione tra la foresteria nobile e il terrazzo coperto; questo cinematismo potrebbe essere anche parte delle cause delle lesioni nella foresteria granducale localizzate in corrispondenza dell’ammorsamento dei maschi murari di separazione delle sale con la facciata laterale.
È stata sviluppata l’analisi dello stato di fatto con la relativa caratterizzazione dei materiali
Come strutture verticali sono state individuate le pareti portanti di spessore variabile dai 15 ai 90 cm. Sono presenti due diverse tipologie di muratura; muratura mista in pietre e mattoni e muratura in mattoni pieni; come strutture orizzontali sono presenti solai piani e diversi tipi di volte:
volte a crociera, a botte, a padiglione e unghiate.
È stato sviluppato anche un rilievo del degrado, il quale ha permesso di individuare le zone più alterate e degradate classificandole.
Il Chiostro della Foresteria presenta un esteso degrado su gli elementi costituenti la struttura, sia che siano pareti intonacate, volte a crociera, o colonne in pietra serena. L’intonaco è in buona parte deteriorato con patine, distacchi e mancanze, fino a portare in luce la sottostante struttura.
In alcuni casi il degrado è imputabile ad infiltrazioni d’acqua derivanti dalle coperture, mentre in altri punti è dovuto ad interventi di manutenzione realizzati con poca cura, oltre che ad un normale deperimento dei materiali.
Il degrado degli ambienti interni, attigui al chiostro, è dovuto principalmente a problemi di umidità ed infiltrazioni di acqua dalle coperture, che stanno provocando evidenti danni sulle superfici affrescate e stuccate delle volte oltre che agire negativamente sulle strutture lignee, provocando marcescenza delle travi. Per tali motivi le zone maggiormente degradate risultano essere quelle prossime alle strutture di copertura. Il degrado si manifesta con macchie di umidità e nei casi più gravi con distacco di intonaco, con efflorescenze ed ossidazioni delle superfici in laterizio, con marcimento dei travicelli e travi. Risulta necessario operare urgenti ristrutturazioni delle coperture per scongiurare maggiori danni, che possono condurre alla perdita definitiva degli affreschi o ad oneri eccessivi per il loro restauro.
Questo parte del rilievo, oltre a farci capire quali siano gli interventi più urgenti, ha permesso di individuare possibili meccanismi locali da analizzare.
Le Norme Tecniche per le Costruzioni consentono di eseguire per le costruzioni in muratura analisi statiche o dinamiche, lineari o non lineari.
L’analisi ritenuta più opportuna per la caratterizzazione della risposta strutturale del complesso architettonico è l’Analisi Dinamica Modale con spettro di risposta.
L’analisi dinamica modale dell’edificio è stata eseguita su modello tridimensionale ad elementi finiti ed è stata condotta con l’ausilio del software di calcolo SAP 2000 v.14.
Nel modello sono stati distinti e modellati gli elementi costituenti la struttura portante dell’edificio: pareti, pilastri e colonne, orizzontamenti piani e voltati, strutture di copertura e fondazioni.
Le pareti in muratura sono state schematizzate con elementi bidimensionali tipo “shell”.
La modellazione strutturale prevede di rappresentare solamente le porzioni di pareti aventi funzione strutturale, e cioè i maschi murari e le travi di accoppiamento. Gli elementi portanti verticali quali pilastri in mattoni e colonne in pietra sono stati modellati con elementi monodimensionali di tipo “frame”, ad ognuno dei quali viene assegnata la sezione e il materiale costituente. Le volte presenti ad ogni piano nel fabbricato hanno geometria molto varia e talvolta complessa, per cui, date le finalità a cui è volta l’analisi, si è preferito fare ricorso alla trattazione delle volte equivalenti proposta da Lagomarsino; sono state rappresentate con elementi piani (shell) di rigidezza equivalente. Le coperture lignee sono state modellate schematizzando gli elementi portanti (travi e travicelli) mediante elementi “frame” di opportuna sezione disposti a rappresentare le orditure (doppie o triple) delle strutture portanti.
Infine l’interfaccia terreno-struttura è stata modellata adottando una schematizzazione elastica del suolo alla Winkler con molle di adeguata rigidezza disposte nelle tre direzioni.
Come azioni forzanti sono stati inseriti gli spettri di progetto dell’azione sismica in accelerazione orizzontale nelle due direzioni principali x e y. Gli effetti sulla struttura sono stati valutati combinando gli effetti dei primi 150 modi di vibrare con il metodo CQC.
I risultati ottenuti dall’analisi dinamica modale mostrano che i primi due modi di vibrare mobilitano una quota rilevante di massa partecipante nelle direzioni x ed y, ed a questi modi sono associate delle forme modali flessionali. Ai modi successivi sono associate forme modali torsionali.
Il raggiungimento del’85% di massa partecipante per entrambe le direzioni si ottiene oltre il 100° modo di vibrare.
Gli studi svolti sulla struttura in termini di rilievo geometrico, rilievo strutturale ed analisi storico-critica, hanno permesso di acquisire una buona conoscenza del manufatto in esame; Tuttavia, la presenza in molti ambienti di affreschi di notevole pregio storico-artistico ha reso problematica l’esecuzione di saggi necessari a caratterizzare il materiale in opera ed ad identificare la qualità degli ammorsamenti tra pareti; per la natura esclusivamente geometrica delle informazioni in possesso, si dovrebbe rientrare nella classe LC1, tuttavia l’esecuzione di un qualsiasi intervento su una struttura di tale pregio storico, comporterà necessariamente una preventiva campagna di saggi, pertanto in quest’ottica si è scelto di eseguire un’analisi più complessa e porci in classe LC2, adottando il relativo fattore di confidenza pari a 1,20.
Le verifiche agli Stati Limite Ultimi sono state effettuate sia in condizione statica che sismica. Le verifiche SLU in condizione statica per carichi gravitazionali ed in assenza di sisma sono state svolte riferendosi alle sollecitazioni derivate dalla combinazione fondamentale; le verifiche SLV (per TR = 712 anni) in condizione sismica sono state effettuate sottoponendo la struttura ad un sisma proveniente sia dalla direzione X che dalla direzione Y, facendo riferimento alle sollecitazioni ricavate dalle combinazioni sismiche.
Le verifiche previste per gli Stati Limite Ultimi (sia statici che simici) sono:
• pressoflessione nel piano della parete;
• pressoflessione fuori piano;
• taglio per azioni nel piano della parete (taglio-trazione diagonale e taglio-scorrimento orizzontale).
Le verifiche agli SLU eseguite in condizione statica risultano in genere soddisfatte con eccezione di alcuni elementi.
La verifica a pressoflessione nel piano può essere ritenuta adeguatamente soddisfatta ad ogni livello della struttura, con alcune singolarità in elementi di piccole dimensioni. Tali punti non sono da ritenersi critici per la sicurezza globale statica.
Anche la verifica a pressoflessione fuori piano risulta adeguatamente soddisfatta tranne nei maschi murari che già non soddisfano le limitazioni di snellezza, e risultano quindi maggiormente vulnerabili all’instabilizzazione fuori piano.
La verifica a taglio invece presenta un più alto numero di elementi che, in misura maggiore o minore, non verificano le condizioni di scorrimento. Le maggiori criticità si riscontrano nel fronte del chiostro, dove le aperture seriali riducono la sezione netta resistente, ed all’ultimo piano della struttura, dove si localizzano le azioni orizzontali più rilevanti.
Le verifiche condotte ad SLV per sisma X e sisma Y mostrano una situazione più gravosa rispetto alla condizione statica.
Riferendoci al caso di pressoflessione nel piano si nota che il piano terra e il primo piano riescono a soddisfare adeguatamente le verifiche imposte, in quanto le pareti sono soggette a tensioni normali di una certa entità e momenti sollecitanti non eccessivi.
Maggiori problemi si riscontrano al secondo piano dove la combinazione di sforzo normale minore ed elevato momento flettente comporta il non soddisfacimento della verifica.
La verifica di pressoflessione fuori piano condotta con il metodo semplificato suggerito da norma mostra in maniera evidente come i maggiori problemi di stabilità fuori piano siano attribuibili agli elementi con elevata snellezza. Inoltre non risultano verificate tutte le pareti dell’ultimo piano poiché, trovandosi a quota elevata rispetto al piano delle fondazioni, su queste agiscono forze sismiche rilevanti.
Tuttavia la situazione più critica si instaura nella verifica a taglio delle pareti: la quasi totalità dei maschi murari non riesce a soddisfare le condizioni di scorrimento imposte da norma, sia nel caso di azione sismica proveniente dalla direzione X che dalla direzione Y, denotando una sostanziale inadeguatezza dell’intero complesso ad assorbire le azioni orizzontali generate da un terremoto tipo con periodo di ritorno pari a 712 anni.
Le verifiche sui solai piani sono state condotte separatamente rispetto al modello tridimensionale della struttura, facendo ricorso a schemi statici bidimensionali rappresentativi della situazione in esame. Le misure fatte per i solai del lato frontale sono state estese anche per gli altri (attualmente inaccessibili). Sono stati ipotizzati quindi travicelli di dimensione pari a 6x8 cm con interasse di 30 cm, sorretti dalle travi principali di dimensione 20x27cm. Per il travicello è stato adottato uno schema di trave semplicemente appoggiata con carico distribuito, mentre la trave principale è stata schematizzata come trave semplicemente appoggiata con carichi concentrati in corrispondenza dell’appoggio dei travicelli. Per questi schemi sono state effettuate la verifica a flessione deviata, la verifica a taglio e la verifica a deformazione.
Le seguenti verifiche risultano generalmente soddisfatte; I travicelli costituenti l’orditura secondaria risultano ovunque verificati, sia in termini di resistenza che di deformabilità. Anche le travi principali soddisfano i requisiti di sicurezza. Tuttavia è da far presente che le verifiche sono state condotte riferendosi alle sezioni degli elementi rilevati in opera supposte interamente reagenti, cioè in condizioni di buono stato di conservazione. Alcuni elementi lignei mostrano un elevato stato di marcescenza a causa delle continue infiltrazioni d’acqua, per cui la sezione resistente dell’elemento risulta notevolmente ridotta. Per questi elementi in avanzato stato di degrado le verifiche condotte non possono essere considerate rappresentative dello stato di fatto.
Nelle costruzioni esistenti in muratura il collasso è determinato, più che dalla resistenza ultima della muratura, dalla carenza dei vincoli, da difetti costruttivi, dalla presenza di discontinuità non sempre visibili. Da qui la necessità di affiancare all’analisi sismica globale realizzata con l’ausilio dei software di calcolo, un analisi locale dei possibili meccanismi di collasso.
Dall’esame del quadro fessurativo è stato possibile riconoscere meccanismi di ribaltamento composto della facciata; sulle pareti di controvento si individuano lesioni diagonali, con origine in prossimità del fronte e terminanti in corrispondenza delle porte. In corrispondenza delle intersezioni murarie sono presenti lesioni verticali.
Il calcolo viene effettuato assumendo lo schema di corpo rigido, e confrontando il valore del momento stabilizzante, dovuto all’azione dei carichi verticali ed alle reazioni esercitate in corrispondenza dei ritegni orizzontali con quello ribaltante dovuto alle azioni orizzontali.
Il valore dell’accelerazione orizzontale che porta all’attivazione del meccanismo è di 0.120g, contro un valore di riferimento della PGA (valutata per SLV con TR= 712 anni) di 0.138g.
In queste condizioni è quindi possibile l’attivazione di questo meccanismo.

L’analisi dello stato di fatto ed i risultati ottenuti dalle verifiche sul fabbricato hanno evidenziato alcune problematiche; saranno quindi indispensabili studi più approfonditi sui materiali degli elementi portanti e sulle loro proprietà meccaniche; si necessita inoltre si indagini inerenti ad una precisa definizione dei carichi gravanti sulla struttura.
Lo stato di degrado in cui versa il complesso generato da uno stato di incuria è evidente; Sono presenti infiltrazioni d’acqua in vari punti della struttura; sono pertanto di primaria urgenza provvedimenti volti a consolidare le coperture al fine di non protrarre oltre le perdite subite; in alcune zone infatti sono già in atto i lavori.
Dalle analisi svolte seguendo sia un approccio globale, che locale sono emersi elementi di vulnerabilità della struttura; problematiche sono riscontrabili in tutta l’area analizzata; ai piani superiori, dove gli elementi sono soggetti a ridotte compressioni ed elevati momenti flettenti, i maschi risultano eccessivamente snelli e suscettibili ai fenomeni di instabilità fuori piano. Il comportamento nei confronti dell’azione tagliante, in particolar modo nella condizione sismica, risulta abbastanza critico per l’intera struttura. D’altronde questo risultato era prevedibile, essendo questa la maggiore problematica che affligge gli edifici storici in muratura.
In relazione alle questioni riscontrate risulta evidente come sia necessario effettuare degli interventi sulle fabbriche al fine di garantirne una migliore risposta strutturale.
Un intervento su un edificio tutelato può risultare molto complesso da svolgersi: deve infatti essere in grado di conciliare le esigenze di conservazione con quelle di sicurezza, evitando l’esecuzione di opere invasive;
Saranno quindi preferibili interventi di tipo locale che conducano al soddisfacimento dei requisiti richiesti per le azioni simiche.
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