Restauro ed isolamento sismico della chiesa romanica di San

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XI Congresso Nazionale “L’ingegneria Sismica in Italia”, Genova 25-29 gennaio 2004
Restauro ed isolamento sismico della chiesa romanica di San
Giovani Battista ad Apagni
M. Indirli, P. Clemente, R. Cami, A. Procaccio
ENEA e GLIS, Bologna e Roma-Casaccia
F. Bettinali, F. Gatti, A. Pulcini e G. Brevi
Enel.Hydro, Seriate
G. Croci, C. Felez
Studio Croci-SPC,Roma
M. Mucciarella
Architetto,Roma
A. Viskovic
Università “G.D’Annunzio”, Chieti-Pescara
SOMMARIO: I principi di conservazione di edifici storico-architettonici in muratura (ESM)
sono spesso difficilmente conciliabili con i requisiti di una corretta protezione antisismica. Gli
interventi con metodi convenzionali, infatti, si sono rivelati, nella maggioranza dei casi, o
eccessivamente “invasivi” o non del tutto efficaci. Questo conflitto è purtroppo stato dimostrato
dal rilevante danno riscontrato in un ampio numero di strutture succitate, riparate a seguito di
terremoti, ma nuovamente e seriamente danneggiate da successivi eventi sismici significativi.
Sulla base di queste semplici considerazioni, è stato individuato un diverso approccio al
problema, che consiste nel ricorso a moderne tecniche antisismiche; esse permettono la
riduzione delle azioni dinamiche trasmesse agli ESM dal terremoto, piuttosto che un incremento
della loro resistenza strutturale. Dopo un’accurata campagna di indagini diagnostiche e di
monitoraggio, la Chiesa romanica di San Giovanni Battista ad Apagni (Sellano, Perugia) è stata
selezionata come un’esperienza pilota per l’applicazione dell’isolamento sismico alla base,
prevedendo la realizzazione di un opportuno sistema di sottofondazione, in modo da rispettare il
più possibile le caratteristiche originarie del fabbricato. Questa memoria illustra le principali fasi
del lavoro preliminare e la proposta progettuale.
ABSTRACT: The conservation principles for masonry cultural heritage buildings are often not
compatible with correct antiseismic design requirements. In fact, the use of conventional
methods leads, in most cases, to retrofitting interventions excessively invasive or ineffective.
This conflict has been unfortunately demonstrated by the relevant damage found in a large
amount of above-mentioned structures, restored after earthquakes but again seriously struck by
subsequent not negligible seismic events. Due to those simple statements, a different approach
to the question has been pointed out, addressing to the use of modern antiseismic techniques;
they can reduce the dynamic actions transmitted by the earthquake, rather than improve the
structural resistance. After a detailed diagnostics and monitoring campaign, the Romanesque
church of San Giovanni Battista at Apagni (Sellano, Perugia) has been selected as a pilot
application of Base Isolation by means of a specific sub-foundation system, in order to respect
as better as possible the building original features. This paper shows the main steps of the
preliminary work and the design proposal.
1 INTRODUZIONE
Il problema della salvaguardia degli ESM e della memoria storica rappresentata dalle strutture
edilizie giunte fino a noi dai secoli passati, non è di facile soluzione in quei paesi, come l’Italia,
afflitti da elevata sismicità (Indirli et al., 2001). Gli ESM sono molto vulnerabili ai terremoti,
poiché anche eventi di moderata intensità possono causarne il collasso o danneggiarli
gravemente. Molti ESM esistenti, anche se non sembrano rivelare danneggiamenti evidenti,
possono essere stati indeboliti da terremoti precedenti, in concomitanza con altri fattori di
degrado (alterazioni chimico-fisiche e chimico-biologiche dei materiali costituenti le murature
dovuti ad agenti atmosferici ed inquinanti, nonché fisico-meccaniche dovute a vibrazioni indotte
dal traffico). L’esigenza di conservazione e tutela di un ESM (secondo i principi di integrità,
compatibilità, reversibilità e durabilità auspicati dalle Carte di Restauro), in modo da lasciare
alle generazioni future una testimonianza storica e antropologica, può essere, infatti, non
compatibile con i requisiti antisismici necessari a far “sopravvivere integro” il medesimo bene
in caso di evento sismico. Negli interventi di restauro degli ESM, inoltre, un problema
aggiuntivo riguarda l’acquisizione di un adeguato livello di conoscenza delle proprietà dei
materiali, aspetti costruttivi, stato di conservazione, ecc.; ciò rende ogni ESM un episodio unico
e obbliga ad un approccio progettuale specifico, senza molte possibilità di generalizzazione.
L’esigenza di incrementare le prestazioni strutturali degli ESM con un ben diffuso ed omogeneo
miglioramento delle resistenze, accanto ad una buona distribuzione delle masse e delle
rigidezze, comporta generalmente interventi eccessivamente “invasivi” qualora si persegua
l’adeguamento sismico; nel caso ci si accontenti di un semplice “miglioramento sismico”,
spesso realizzato con interventi mirati e localizzati, non si può avere la garanzia della
sopravvivenza della struttura nella sua interezza, o addirittura si possono indurre concentrazioni
di danno in altre parti non rinforzate della struttura. Queste ed altre considerazioni suggeriscono
di ricorrere a moderne tecniche antisismiche quali l’isolamento alla base, che consentono la
riduzione delle azioni e dell’energia sismica trasmessa alla struttura, piuttosto che cercare di
incrementare forzatamente la resistenza della struttura medesima. Dopo un’accurata campagna
di indagini diagnostiche e di monitoraggio, la chiesa di San Giovanni Battista ad Apagni
(Sellano, Perugia) è stata selezionata come oggetto di un’esperienza pilota per l’applicazione
dell’isolamento sismico alla base, prevedendo la realizzazione di un opportuno sistema di
sottofondazione, rispettando le caratteristiche originarie del fabbricato e operando una
valutazione costi-benefici (Mucciarella et al., 2001, 2002). La chiesa, danneggiata dal terremoto
Marche-Umbria del 1997, è già stata oggetto di un intervento di consolidamento convenzionale.
2 DATI SALIENTI SULLA CHIESA DI SAN GIOVANNI BATTISTA DI APAGNI
2.1 Descrizione della chiesa
La chiesa romanica di San Giovanni Battista, costruita tra il 1300 e il 1600, è ad aula unica,
affrescata, con tetto ligneo a due falde. Ubicata nel comune di Sellano, frazione di Apagni, fa
parte del complesso cimiteriale. Mancano adeguati dati storici sulla datazione e sulle fasi
costruttive, anche se si può supporre che siano presenti ricostruzioni a seguito di eventi sismici
del passato, come testimonia la presenza di speroni sui cantonali. Al corpo principale si
addossano altri tre elementi: la sagrestia (ricostruita) sul retro, il campanile a vela ed una piccola
cappella (coevi) sul lato destro. La chiesa giace su un lieve pendio, per cui gli spiccati esterni
non hanno la stessa altezza. Le sue dimensioni sono le seguenti: esternamente 13.50 m di
lunghezza e 8.30 m di larghezza, internamente 12.00 m di lunghezza e 7.00 m di larghezza. In
alzato, internamente la chiesa misura 7.10 m in corrispondenza del colmo e 5.60 m in
corrispondenza della linea di gronda; esternamente il punto massimo è l’angolo posteriore ad
Est, che misura circa 8.00 m dallo spiccato alla linea di gronda. Il fronte principale a capanna
presenta, sull’asse di mezzeria, una colonna di vuoti formata dal portale con archivolto e un
oculo. Le murature, di spessore variabile tra 70 e 90 cm, sono in pietra con un sacco interno
irregolare.
2.2 Storia sismica
In seguito al terremoto della Valnerina del 1979 (con epicentro tra Norcia e Cascia), il Comune
di Sellano e la Soprintendenza dell’Umbria realizzarono diversi restauri di ESM, al fine di
incrementarne la resistenza al terremoto e Sellano fu scelta come area pilota. Diversi interventi
riguardarono l’inserimento di gabbie e cordoli in c. a., senza però operare un rinforzo delle
murature esistenti. Nella chiesa di Apagni (anch’essa danneggiata), si procedette alla
rigenerazione delle murature (praticata con iniezioni di boiacca di cemento, iniettata nel solo
paramento esterno con boccagli a perdere), al rifacimento delle coperture (utilizzando materiali
analoghi agli originali, con orditura principale in capriate e secondaria in travetti, entrambi in
legno, tessitura in pianelle laterizie, getto di una soletta armata, posa di una guaina
impermeabile, manto di copertura in coppi). La nuova copertura fu poggiata su una doppia serie
di cordolature in c.a. (due cordoli paralleli longitudinali e due ortogonali trasversali; le due serie
attestavano a quote diverse: le longitudinali poggiavano sulle trasversali, con un dubbio
collegamento), ritenendo di realizzare così un’efficace cerchiatura della struttura; i cordoli,
tuttavia, non erano stati ammorsati alle sottostanti murature con chiodature o tirafondi.
(a)
(b)
(d)
(c)
(e)
Fig. 1. La Chiesa di San Giovanni Battista ad Apagni: (a) prima del terremoto del 1997, (b) (c) (d) (e)
danni dopo il terremoto del 1997.
Questo intervento, sebbene effettuato correttamente e formalmente in linea con le normative
dell’epoca, si è rivelato del tutto inefficace e controproducente quando la chiesa è stata
nuovamente soggetta allo scuotimento sismico nel 1997, come è risultato evidente dall’analisi
del quadro fessurativo. L’edificio ha sofferto un danneggiamento con lesioni passanti in facciata
e sulle pareti longitudinali, crollo parziale della vela campanaria, rototraslazione del tetto,
distacco dell’abside, deformazione geometrica dell’arco trionfale con distacco delle reni e
distacco degli affreschi (Figg. 1-2). Sotto l’eccitazione sismica, l’organismo architettonico, oltre
a dissesti tipici dovuti alla propria intrinseca vulnerabilità strutturale (collasso della vela
campanaria, rotazione della facciata, separazione dei corpi aggiunti, presenza diffusa di lesioni
in prossimità delle aperture) ha dato una risposta inaspettata e mostrato un anormale
cinematismo di danno dovuto agli interventi effettuati in passato; l’azione delle forze di taglio,
infatti, non ha provocato la classica apertura a scatola e il ribaltamento verso l’esterno:
l’inserimento dei cordoli e la presenza degli speroni originari hanno conferito una differente
rigidezza alla struttura muraria secondo la verticalità, con una separazione dei muri portanti in
tre fasce orizzontali che si sono mosse reciprocamente tra loro. Nella parte centrale, a causa dei
movimenti differenziali delle porzioni inferiore e superiore, è stata leggibile una concentrazione
dei dissesti, tra cui il distacco dei paramenti e la decoesione del sacco murario. L’esistenza di
lesioni molto profonde ha permesso di verificare come il precedente intervento di iniezioni in
boiacca di cemento, distribuitasi in maniera non uniforme all’interno del sacco, fosse
responsabile di un tipico danneggiamento a blocchi; le fratture nella muratura, infatti, seguivano
esattamente linee reticolari lungo le quali erano state eseguite le iniezioni.
Fig. 2: danni all’interno della chiesa e agli affreschi.
2.3 Pronto intervento e lavori di consolidamento “convenzionale”
Il pronto intervento (Fig. 3a) è consistito nell’ingabbiamento del fabbricato con una struttura
reticolare metallica in tubo-giunto. Il consolidamento, effettuato in modo da rispettare il più
possibile le struttura originaria della chiesa e dei suoi componenti, ha riguardato (Fig. 3b):
- la riparazione dei danni e l’irrigidimento dei punti deboli della struttura muraria, con
risarcitura a “cuci e scuci” al fine di ripristinare la continuità strutturale ed eliminare punti di
innesco di danneggiamenti in corrispondenza della sezione indebolita; sono state realizzate
efficaci ammorsature tra nuova e vecchia muratura, con l’utilizzo di elementi lapidei
recuperati dalle porzioni crollate e malte affini;
- il cerchiaggio dell’intero edificio con tirantature metalliche poste sulle quattro pareti, alla
quota critica compresa tra il portale e l’oculo, dove si erano verificati i maggiori danni;
l’ancoraggio alle pareti è stato realizzato con piastre nervate a scomparsa; per aumentare
l’effetto cerchiaggio sono state eseguite sui quattro cantonali cuciture armate lunghe circa 3 m
ad interasse di 80 cm;
- l’ancoraggio dei pilastrini della vela al campanile, tramite perforazioni armate alla base e
l’inserimento di un tirante all’imposta degli archetti per contrastarne la spinta;
- l’intervento di collegamento dell’insieme cordoli-copertura alle murature sottostanti tramite
inserimento verticale di tondini in acciaio posti “a pettine”;
- l’eliminazione di alcune interazioni con le superfetazioni esistenti; la sacrestia è stata demolita
e ricostruita con blocchi antisismici autoportanti “Poroton”, distaccata dall’aula da un giunto
antisismico realizzato in sito con materiale comprimibile;
- la profonda scarnitura dei giunti e la stilatura con malta chimicamente e petrograficamente
simile all’originale, per contribuire al miglioramento delle caratteristiche meccaniche della
muratura e assicurare un’integrazione cromatica con l’ambiente;
- le opere di finitura (realizzazione degli intonaci interni, pulitura dei paramenti esterni,
intervento sugli affreschi).
La Fig. 3c mostra la chiesa di Apagni allo stato attuale, dopo i lavori di consolidamento.
(a)
(b)
(c)
Fig. 3. (a) Pronto intervento (ponteggi e protezioni), (b) lavori di consolidamento e (c) stato della chiesa
di Apagni dopo il consolidamento.
2.4 Caratterizzazione dinamica e monitoraggio sismico
L’analisi dinamica sperimentale è organizzata in tre fasi: la prima, consistente in prove di
caratterizzazione dinamica, è stata effettuata sulla chiesa dopo il sisma, prima del
consolidamento convenzionale; la seconda, di monitoraggio sismico, è stata effettuata sulla
struttura dopo l’intervento di consolidamento “convenzionale”; la terza è prevista dopo la
realizzazione dell’intervento con isolamento sismico alla base.
La prima fase sulla struttura danneggiata è servita a saggiare le proprietà dinamiche e definire
i punti di misura ottimali per la rete di monitoraggio sismico. Nel marzo 2002 è stata installata
una rete accelerometrica di monitoraggio costituita da un acquisitore Kinemetrics K2 a 12
canali, di cui 3 interni, e 9 accelerometri Kinemetrics FBA11 esterni; il K2 contiene anche una
scheda PCMCIA da 20 Mb, una batteria e una terna di sensori accelerometrici FBA. I segnali
rilevati al continuo dai sensori vengono analizzati dal K2 per verificare se sono state superate le
condizioni dinamiche definite (superamento di un valore di soglia in uno o più sensori). Se e
solo se ciò si verifica, il sistema memorizza i dati sulla scheda PCMCIA, la quale può essere
successivamente prelevata e inserita in un PC per la lettura dei dati. I sensori sono stati disposti
come in Fig. 4. La frequenza di campionamento è di 200 campioni/s. Da marzo a settembre
2002 sono stati registrati circa 90 eventi, oltre ad alcuni disturbi ambientali. Gli eventi registrati
sono stati analizzati classificati in base al contenuto di energia, valutato attraverso l’intensità
scalare di Arias al basamento, assumendo come riferimento l’accelerazione registrata dalla terna
interna al K2 (A1, A2 e A3).
Fig. 4. Rete accelerometrica: A1, A2 e A3 costituiscono la terna interna al K2; A4, A5 e A6 sono alla base
delle pareti; A7, A8, A9, A10 e A11 sono alla sommità delle pareti; A12 è sul corrente inferiore di una
delle capriate della copertura.
I dati relativi a tutti gli eventi sono stati analizzati per verificare il comportamento strutturale,
che si è rivelato costante al variare dell’energia di input, a dimostrazione di un comportamento
lineare nell’intervallo di energia ottenuto e dell’efficacia dei lavori eseguiti. L’analisi spettrale
ha fornito i seguenti risultati: in direzione trasversale sono evidenti picchi di risonanza a 5.8 e a
7.0 Hz, questo ultimo con ordinate superiori al precedente nei sensori in sommità; in direzione
longitudinale sono evidenti picchi di risonanza a 6.0 e a 7.0 Hz; picchi in corrispondenza delle
frequenze 3.15 e 3.4 Hz sono da attribuire al terreno, non presentando amplificazione.
L’analisi dei cross-spettri ha evidenziato che, in ciascuna delle due pareti in direzione
trasversale (A4-A8 e A6-A10) e in ciascuna delle sue pareti in direzione longitudinale (A3-A7 e
A5-A9) sono evidenti picchi di risonanza a 6.0 e 7.0 Hz. Gli stessi valori delle frequenze di
risonanza si notano nei cross spettri tra i record dei sensori posti in sommità alle pareti
trasversali (A8-A10 e A7-A9); nel primo, il primo valore appare spostato a 5.8 Hz. Il modo di
vibrazione associato alla frequenza di 6.0 Hz è caratterizzato da una rotazione intorno ad un
punto esterno alla pianta della chiesa (lato facciata). Il contrario avviene per il secondo modo di
vibrazione.
2.5 Campagna indagini diagnostiche
La campagna di indagini diagnostiche sulle fondazioni e sulle strutture murarie, effettuata da
ENEL.HYDRO (Riccioni e Rossi 1995), è consistita in (Figg. 5-7):
- sondaggi a carotaggio continuo nelle murature in elevazione (sigla Cx) con stratigrafia di
dettaglio e rilievo con sonda televisiva a colori;
- sondaggi a carotaggio continuo nelle murature in fondazione (sigla CFx) con stratigrafia di
dettaglio e rilievo con sonda televisiva a colori;
- prove a martinetto piatto singolo per la determinazione dello stato di sollecitazione (sigla Mx);
- prove con martinetti piatti doppi per la determinazione delle caratteristiche di deformabilità
(sigla MxB).
(a)
(b)
CF6
CF5
M2( scarico)
M2B
CF7
CF4
M1( 0.27 MPa)
M1B
C1
CF3
CF8
CF9
CF2
CF1
Fig. 5. Ubicazione dei carotaggi orizzontali e sub-verticali (a) e delle prove con martinetti piatti (b).
(a)
(b)
(c)
Fig. 6. Fasi di esecuzione: (a) dei carotaggi, (b) del rilievo con sonda televisiva a colori, (c) delle prove
con martinetti piatti.
piano calpestio
chiesa
piano calpestio cimiter
0.00
(a) trasversale
(b) trasversale
(c) longitudinale
Fig. 7. Sezioni e profili del piano di posa delle fondazioni.
Il carotaggio eseguito nella muratura in elevazione ha identificato una tessitura muraria
formata da pietre di dimensioni medio-grosse sul paramento esterno e un riempimento formato
da pietre di dimensioni minori e meno regolari, con malta ben distribuita sul paramento
verticale, meno curata nella posa in opera nella sua parte interna. La sonda televisiva evidenzia
questa tipologia di messa in opera, individuando all’interno della muratura stessa una serie di
discontinuità e cavità fra gli elementi lapidei. I carotaggi eseguiti nella muratura di fondazione,
principalmente per identificare il piano di posa della stessa sul terreno di fondazione, hanno
individuato di fatto una fondazione molto superficiale, in quanto immediatamente al di sotto del
piano di campagna si intercetta il banco di terra su cui poggia la struttura. Solo sui lati Ovest e
Sud-Est la muratura di fondazione appare essere ad un quota più profonda rispetto al resto della
chiesa, ma sono tratti interessati da materiale di riporto posto in opera nel tempo per
regolarizzare una piccola strada di campagna e il piano del cimitero adiacente alla chiesa. La
profondità della muratura di fondazione rispetto al piano di campagna varia fra i 20-30 cm fino
a 250 cm circa sul lato del cimitero. La muratura è composta di blocchi di pietra con malta di
allettamento poco adesa alla pietra. I rilievi con sonda televisiva hanno evidenziato discontinuità
e cavità lungo gli interi tratti di perforazione. Il terreno su cui poggia la struttura è terra con
presenza di argilla (indagine fino a -3 m) lungo tutto il perimetro della chiesa.
Le prove con martinetto piatto singolo per la determinazione degli stati tensionali hanno
evidenziato una situazione, come prevedibile, abbastanza in linea con quello che si può dedurre
da un’attenta osservazione della struttura. In particolare, nei due punti indagati è stata rilevata
una sollecitazione pari a 0.27 MPa sul paramento sul lato Est della chiesa, e una situazione di
scarico sul lato Ovest. Il risultato ottenuto è sicuramente influenzato dalla diversità della quota
in cui sono state realizzate le due prove (quota molto inferiore ad Est rispetto alla quota del lato
Ovest). Sono sollecitazioni compatibili con le dimensioni della struttura, per cui perfettamente
nella norma. Per quanto riguarda le prove con martinetti piatti doppi per la determinazione delle
caratteristiche di deformabilità della muratura, i dati rilevati hanno identificato due murature con
caratteristiche medio-elevate. Leggermente migliori sono le caratteristiche della muratura del
lato Est rispetto al lato Ovest, in quanto i moduli di deformabilità fra i due punti mostrano valori
variabili fra loro del 30-40%.
3 PROGETTO DI ISOLAMENTO SISMICO CON SOTTOFONDAZIONE
3.1 Azione sismica
Il progetto dell’intervento, in corso di elaborazione, fa riferimento alla nuova normativa sismica.
Il Comune di Sellano è inserito in zona 1, caratterizzata da un valore di accelerazione
orizzontale massima ag = 0.35g. Per quanto riguarda il fattore S, che tiene conto del profilo
stratigrafico del suolo di fondazione, in attesa dell’effettuazione di indagini geotecniche più
approfondite per la caratterizzazione del terreno, si è ipotizzata una categoria di suolo di
fondazione di tipo B, cui corrisponde S = 1.25. Sulla base di tali valori è stato definito lo spettro
di risposta elastico, coincidente per gli edifici isolati alla base con lo spettro di progetto.
3.2 Metodo di analisi
Si opera con il metodo dell’analisi dinamica lineare in campo elastico (analisi modale con
spettro di risposta), e per il sistema di isolamento è stato previsto un comportamento viscoelastico. In conformità alle norme, le due componenti orizzontali dell’azione sismica saranno
considerate agenti simultaneamente, sommando agli effetti di una componente, considerata
agente al 100%, il 30% degli effetti dovuti all’altra componente. Lo spettro di risposta sarà
ridotto per tutto il campo di periodi T ≥ 0.8 Tis, assumendo per il coefficiente riduttivo η il
valore corrispondente al coefficiente di smorzamento viscoso ξesi del sistema di isolamento.
È stato messo a punto un Modello preliminare ad Elementi Finiti (MEF, 1672 nodi e 1026
elementi, Fig. 8) della Struttura a Base Fissa (SBF), tarato sulla base dei risultati sperimentali,
comprendente i corpi aggiunti del campanile a vela, della cappella coeva e della sacrestia. Il
MEF, costruito con elementi finiti lineari solid (murature principali, campanile, timpani), plate
(solai, muro in fondazione, sacrestia, cappella) e beam (trave di colmo e capriate, tiranti e travi
sacrestia), ha consentito di calcolare il peso del fabbricato e la posizione del suo centro di
massa. Il peso proprio dell’opera è pari a circa 6900 kN, da cui si ricava una massa di 690
kNs2/m; il centro di massa del fabbricato ha coordinate xg=6.42 m, yg=4.74 m, zg=4.01 m
(x = asse longitudinale, y = asse trasversale, z = asse verticale, Fig. 8). Alla massa calcolata
vanno aggiunte le masse delle murature sotto il livello di campagna (circa +5%) e delle cripte,
pari a circa 80 kNs2/m, ottenendo il valore totale di 770 kNs2/m. È stato impiegato il codice di
calcolo ABAQUS e il post-processor FEMAP per la visualizzazione dei risultati. È stata
eseguita un’analisi modale escludendo gli elementi beam, introdotti per modellare le travi del
tetto, di importanza secondaria ai fini della valutazione del comportamento globale della
struttura.
L’analisi modale ha individuato i primi modi di vibrazione e le rispettive frequenze e
coefficienti di partecipazione. Nella Struttura a Base Isolata (SBI) gli isolatori sono
rappresentati mediante un modello semplificato (Fig. 9), costituito da un elemento truss che
lavora solo in direzione assiale, accoppiato in parallelo con una molla; in corrispondenza di
ciascun isolatore, quindi, sono inserite coppie molla-truss in ciascuna delle due direzioni
principali del piano orizzontale.
Fig.8. MEF preliminare della struttura a base fissa e posizione del centro di massa.
Fig.9. Modello semplificato per la rappresentazione degli isolatori.
3.3 Sistema di isolamento
È previsto un sistema di isolamento (Fig. 10) costituito da 8 dispositivi uguali in gomma armata
ad alto smorzamento (HDRB) e da tre coppie di dispositivi a scorrimento (DS) sotto i corpi
aggiunti (cappella coeva, sacrestia e portale di ingresso).
Considerando, in prima approssimazione, che circa 1/5 della massa della struttura sia
sopportata dai DS, il carico verticale agente su ognuno degli 8 HDRB, considerati uguali, vale
755.4 kN. In una fase successiva del progetto sarà affinata la scelta dei dispositivi, adottando
diverse dimensioni e diverse rigidezze, a seconda della loro collocazione sotto la struttura, in
modo da minimizzare la distanza tra il centro di massa della struttura e il centro di rigidezza del
sistema di isolamento, riducendo così gli effetti torsionali. Nota la massa totale M della
struttura, e assegnato un valore di primo tentativo al periodo della struttura isolata Tis=1.5 s,
dalla relazione Tis=2π (M/Kesi) ½ si ottiene la rigidezza totale equivalente orizzontale del sistema
di isolamento Kesi=10797.4 kN/m e, quindi, la rigidezza orizzontale del singolo isolatore
Ke=1349.7 kN/m. Lo spostamento spettrale di progetto (pari a d=0.17 m) si approssima a 0.20
m. Da questi dati, si possono ricavare diametro e altezza (ossia l’area) del singolo isolatore
tramite la relazione Ke=Gdin A/te, con Gdin modulo dinamico equivalente a taglio, A area della
superficie del singolo strato di elastomero depurata dagli eventuali fori, te spessore totale degli
strati di elastomero; lo smorzamento viscoso equivalente è dato dalla relazione ξ e=Wd/(2 π F d),
con Wd energia dissipata in un ciclo completo di carico ed F forza massima raggiunta dal
dispositivo di isolamento in un ciclo di carico. Fissati diametro e altezza degli isolatori
(rispettivamente 0.4 m e 0.2 m), si risale ai fattori di forma S1=A’/L e S2=D/te, con A’ superficie
comune al singolo strato di elastomero ed alla singola piastra in acciaio depurata dagli eventuali
fori, L superficie laterale libera del singolo strato di elastomero, maggiorata della superficie
laterale degli eventuali fori, D dimensione in pianta della singola piastra in acciaio,
parallelamente all’azione orizzontale agente e te spessore totale degli strati di elastomero
(maggiorando lo spessore dei due strati esterni, se maggiore di 3 mm, del fattore 1.4).
Il carico verticale per unità di superficie agente sul singolo HDRB risulta pari a 6.0 MPa.
Fig. 10. Pianta del cordolo di sottofondazione e disposizione degli isolatori sismici.
3.4 Fondazione e sottofondazione
Nel rispetto dei principi di conservazione si è deciso di non effettuare tagli sulle murature
portanti della chiesa e di inserire quindi il sistema di isolamento predisponendo una nuova
fondazione, posta al di sotto di quella originaria, tenendo conto della presenza di cripte e tombe
sotto il piano di calpestio dell’aula. La nuova struttura di fondazione, estesa anche ai corpi di
fabbrica addossati a quello principale (il campanile, la cripta, la sacrestia e la scala d’ingresso),
dovrà essere adeguatamente rigida e tenere conto delle differenze di quota nelle direzioni
trasversale e longitudinale. Una sottofondazione servirà, invece, a trasferire le azioni dagli
isolatori al terreno di fondazione. Sono previsti, inoltre, dei giunti di movimento tra la chiesa e
le costruzioni adiacenti, non isolate, per svincolare completamente l’edificio. I giunti avranno
dimensioni sufficienti in modo da rispettare lo spostamento di progetto previsto ed evitare effetti
di martellamento. In Fig. 11 si può osservare l’andamento del doppio cordolo sottofondale che
segue il percorso della fondazione esistente di quota variabile. La distribuzione degli isolatori in
pianta, come già anticipato, dovrà minimizzare gli effetti torsionali in caso di evento sismico.
In una prima fase è prevista la realizzazione di un cordolo sottofondale superiore, solidale
alle fondazioni della chiesa; in una fase successiva sarà costruito il secondo cordolo solidale al
terreno.Tra questi due cordoli saranno inseriti i dispositivi HDRB e DS, con idonei sistemi di
messa in carico. Le fasi esecutive del cordolo sottofondale superiore sono le seguenti: bonifica
della muratura della fondazione, scavi sottofondali per sottocantieri di 50-80 cm e puntellatura
di protezione, inserimento di travetti di sostegno temporaneo, scavo per il getto del cordolo
(tratti di 150-200 cm) e posa in opera dell’armatura (Fig. 12). Queste fasi si ripeteranno in
sequenza fino alla conclusione del cordolo. La muratura sarà collegata al cordolo sottofondale
mediante una cucitura di barre di acciaio inclinate a passo regolare inglobate nel cordolo. I
travetti di sostegno temporaneo resteranno inglobati nel cordolo e le estremità sporgenti saranno
tagliate a fine lavori. Essendo la profondità dell’attuale fondazione del campanile minore di
quella della adiacente parete della navata, è prevista una sua regolarizzazione per uniformare la
quota di realizzazione del cordolo. Oltre al doppio cordolo, è prevista l’esecuzione delle opere
di sostegno per la realizzazione dell’intercapedine di servizio, per l’ispezione e manutenzione
del sistema di isolamento. L’intercapedine di servizio sarà coperta da un grigliato metallico
praticabile, ancorato ai muri di sostegno e giuntato alle pareti della chiesa (Fig. 13).
HDRB
HDRB
HDRB
HDRB
DS
HDRB
HDRB
HDRB
HDRB
HDRB
HDRB
HDRB
HDRB
HDRB
HDRB
Fig. 11. Ipotesi di massima per la realizzazione della sottofondazione.
Barre di collegamento
cordolo-muratura
Ø24/50 cm
Travetti
Armatura del cordolo sup.
Cassaforma
Travetti
Cls
Fig. 12. Scavo per il getto del cordolo e posa in opera della armatura.
Fig. 13. Particolare del grigliato di copertura del passaggio d’ispezione.
4 CONCLUSIONI
La riparazione e il miglioramento sismico delle strutture di interesse storico artistico non sono
sempre possibili con tecniche convenzionali, come dimostra il caso della chiesa di S. Giovanni
Battista in Apagni, riparata a seguito del terremoto della Valnerina del 1979, ma danneggiatasi
nuovamente durante il sisma umbro-marchigiano del 1997. Inoltre, la nuova normativa sismica
impone dei requisiti non facilmente ottenibili per la vecchie costruzioni in muratura. In questi
casi il ricorso a tecniche antisismiche avanzate, che consentono la drastica riduzione delle azioni
sismiche che raggiungono la struttura, contempera bene le esigenze di garantire la sicurezza
strutturale e di salvaguardare le caratteristiche architettoniche e artistiche dell’opera. Con
riferimento al caso oggetto di questo studio, in particolare, tenendo anche conto dell’input atteso
al suolo, l’isolamento sismico alla base, pur presentando difficoltà esecutive non trascurabili,
rappresenta la soluzione ideale e gli studi sperimentali sulla struttura ne hanno dimostrato la
fattibilità.
RINGRAZIAMENTI
I lavori oggetto del presente articolo sono svolti nell’ambito del Progetto PROSEESM del
Programma Parnaso, con finanziamento MIUR, coordinato dall’Impresa Generale di Restauro
Pouchain, con la consulenza tecnico-scientifica dell’ENEA, dell’ENEL.HYDRO, della CrociSPC e della Tekno In.
La realizzazione dell’intervento previsto sarà possibile grazie al finanziamento della Regione
dell’Umbria (Deliberazione della Giunta Regionale 27 Dicembre 2001 n. 1751, Legge regionale
12 agosto 1998 n. 32, Piano annuale dei Beni Culturali danneggiati dagli eventi sismici per il
2002, Interventi a piani e programmi già approvati, Supplemento ordinario al n. 4 al Bollettino
Ufficiale – serie generale – n. 4 del 23 gennaio 2002, pag. 20, Perugia, 2002), a seguito della
richiesta della Soprintendenza per il Paesaggio e per i Beni Architettonici, Artistici, Storici e
Demoetnoantropologici dell’Umbria (Ente Attuatore) e del parere di congruità della
Soprintendenza Regionale dell’Umbria.
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
Indirli, M. et al., 2001, Further New Projects in Italy for the development of Innovative Techniques for
the Seismic Protection of Cultural Heritage, Seismic Isolation, Passive Energy Dissipation and Active
Control of Vibrations of Structures – Proceedings of the 8th International Seminar, Yerevan, Armenia,
6-10 Ottobre, 2003, in stampa.
Mucciarella M., Indirli M., Clemente P., 2001, Conventional and Innovative Restoration of the Apagni
Romanesque Church, Damaged by the 1997 Marche-Umbria Earthquake, Seismic Isolation, Passive
Energy Dissipation and Active Control of Vibrations of Structures – Proceedings of the 7th
International Seminar, Assisi, Italy, October 2 to 5, 2001, Editori A. Martelli, M. Forni, G.-B. Arato e
B. Spadoni, GLIS, Bologna, 2002, vol. 2 Poster Presentations, pp. 375-389.
Mucciarella M., Indirli M., Martelli A., Funaro P., 2002, Isolamento sismico delle costruzioni antiche, di
interesse storico, architettonico ed artistico, in 21mo Secolo Scienza e Tecnologia n° 2 anno XIII,
luglio 2002.
Riccioni, R., Rossi, P. P., 1995, Restauro Edilizio e Monumentale. Diagnosi e Consolidamento, Enel
1995.

Restauro ed isolamento sismico della chiesa romanica di San

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