sintesi di tesi di laurea

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1 sintesi di tesi di laurea Università degli Studi di Firenze - Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Edile PROGETTAZIONE STRUTTURALE PER IL RESTAURO E RISANAMENTO CONSERVATIVO DI EDIFICIO IN MURATURA DENOMINATO FATTORIA DI DORNA Autore: Ing. Alessandro Pinzuti Relatori: Prof.Ing. Claudio Borri, Prof.Ing. Maurizio Orlando, Ing. Michele Betti, Ing. Luca Salvatori Anno Accademico: Presentazione La Tesi ha sviluppato l analisi strutturale della Fattoria di Dorna, un edificio in muratura posto nel Comune di Civitella in Val di Chiana (AR). La finalità del lavoro è stata la definizione di una serie di interventi, da effettuarsi sulle diverse componenti costruttive, volti al risanamento conservativo del complesso strutturale. Dopo una fase di studio su di un edificio prototipo, svolta comparando diversi codici di calcolo e mirata a selezionare lo strumento di modellazione numerica da adottarsi per le analisi, sono state valutate le vulnerabilità della Fattoria di Dorna e sono stati successivamente proposti degli interventi di consolidamento. Nel complesso il lavoro presenta un significativo caso applicativo del percorso di conoscenza che deve essere svolto per arrivare ad un intervento di recupero, consapevole e rispettoso dell integrità strutturale di un edificio storico. I relatori 1. INTRODUZIONE. La Fattoria di Dorna (Figura 1) è ubicata nel Comune di Civitella in Val di Chiana, a poco meno di 10 km da Arezzo. La Fattoria, risultato di numerose integrazioni e modifiche che si sono succedute nel corso del tempo, è un edificio di notevoli dimensioni avente forma approssimativamente rettangolare con lati di circa 43m x 24m (Figura 2). Le altezze del fabbricato sono varie, e caratterizzano i vari elementi che ne compongono la struttura (Figura 3-Figura 4). La maggior parte della costruzione si sviluppa su un altezza di tre piani (uno dei quali seminterrato); la zona a sud si compone di quattro diversi livelli. Nel complesso è presente anche una torre (Figura 5) che è composta da un ulteriore piano non abitabile sulla sua sommità. In base a quanto osservato, si può ipotizzare il seguente sviluppo cronologico degli elementi che compongono il fabbricato, in base a considerazioni spaziali e costruttive: Figura 1 - Fattoria lato ovest - 1.Torre (Figura 5): è l elemento più antico. Gli orizzontamenti sono costituiti da due solai in legno e laterizio ed uno interamente in legno. Rappresenta l area centrale dell edificio, il perno intorno al quale si è sviluppata la fattoria. A testimonianza dell importanza della fattoria, almeno circa 2 secoli fa, è visibile una iscrizione su di una parete al piano primo (Figura 6). 15

2 - 2. Zona sud: parte di edificio costruita intorno alla torre, probabilmente al momento che si è verificato un incremento di prestigio e di importanza del borgo di Dorna. Quasi tutti gli orizzontamenti, ad esclusione del secondo piano, sono costituiti da volte Zona ovest: caratterizzata da solai in legno e laterizio. La discontinuità delle coperture può rappresentare un indice di costruzione in tempi diversi Zona est: la presenza di solai in laterocemento indica una realizzazione piuttosto recente Zona nord: non è caratterizzata da una diversa tipologia di orizzontamenti, ma le pareti esterne in muratura listata, le altezze degli ambienti ridotte Fig Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, rispetto alle altre, soprattutto l unico ingresso sul n. 108, filigrana (ripresa a luce trasmessa). lato nord del fabbricato, fanno pensare a una costruzione indipendente. Figura 2 - Pianta piano seminterrato Durante i sopralluoghi è stato eseguito il rilievo delle fessure presenti sia sulle pareti sia sugli orizzontamenti. È stato possibile osservare come la parte sud del fabbricato sia quella con i fenomeni fessurativi più evidenti (Figura 7), i quali richiederanno interventi di maggior entità. In particolare, le volte a crociera ed a vela presenti al piano primo presentano numerose fessure e distaccamenti dalle pareti perimetrali. Fig Icnografia della chies Musei Civici, D Fig Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, n. 108, contromarca (ripresa a luce trasmessa). Figura 3 - Prospetto est Fig Icnografia della chies Musei Figura Civici, 5 - Torre D 1053, particolare (ripresa a luce trasmessa). Fig Icnografia della chies Figura Musei Civici, 4 - Sezione D 1053, longitudinale particolare N. N

3 Figura 9 - Mappa carichi fondazione Figura 7 - Fessura parete esterna a vicentina Figura dell Araceli, 8 - Diagrammi Vicenza, carichi parete ovest. Figura 6 - Iscrizione piano primo 17

4 2. ANALISI DEI CARICHI Vista la complessità geometrica e strutturale del fabbricato, e la varietà degli orizzontamenti (con la presenza di numerose strutture voltate e di diverse tipologie di solaio) l analisi dei carichi è stata organizzata differenziando con attenzione le principali tipologie di solaio, in particolare: - Solai piani; - Volte: o Volte a Botte o Volte a Crociera o Volte a Vela Per descrivere in maniera sintetica le modalità Fig Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, con Finanze, le quali Azienda è stata Savoia-Carignano, eseguita l analisi cat. 53, mazzo dei carichi, unico, Tipi, è n. 108, filigrana (ripresa a luce trasmessa). stata costruita una tavola grafica per ogni parete del fabbricato: inserendo i carichi per ogni piano e per ogni tipo di carico (solaio piano o volta), stimando analiticamente il carico trasmesso per unità di superficie, alla base di ogni parete. La Figura 8 riporta, ad esempio, lo schema dei carichi trasferiti in fondazione per la parete ovest. Successivamente è stata ricavata una mappa cromatica per descrivere l entità e la distribuzione dei carichi trasmessi in fondazione, dalla quale è possibile osservare immediatamente le parti della struttura maggiormente sollecitate (Figura 9). In particolare, i carichi trasmessi dalle strutture ad arco sono stati riportati direttamente sulle fondazioni, senza prevedere una diffusione delle tensioni sulle pareti sottostanti, per la difficoltà di definire in maniera appropriata le pareti stesse. Fig Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, Si Finanze, osserva Azienda che Savoia-Carignano, anche in pareti cat. con 53, carichi mazzo unico, lineari Tipi, n. 108, contromarca (ripresa a luce trasmessa). elevati, grazie al loro spessore notevole (in alcuni casi anche maggiore di 1 metro), viene trasmesso un carico superficiale in fondazione omogeneo a quanto presente sul resto della struttura. 3. MODELLAZIONE EDIFICIO PROTOTIPO Prima di modellare la Fattoria di Dorna sono state svolte una serie di prove di modellazione su un edificio prototipo con lo scopo di ricavare utili indicazioni circa la modellazione di un edificio complesso quale quello oggetto della tesi. I diversi codici di calcolo adottati sono stati analizzati da più punti di vista, partendo dalla relativa semplicità di impiego per arrivare ad una valutazione sulla tipologia dei risultati e delle verifiche. I codici adottati sono stati i due Fig Icnografia della chies Musei seguenti Civici, (dei D 1053, quali particolare uno specifico (ripresa a luce per trasmessa). costruzioni in muratura): a) PC.M per la progettazione degli edifici in muratura, e PC.E per il calcolo agli elementi finiti; b) Mastersap Descrizione edificio prototipo Le caratteristiche della struttura prototipo, così come i carichi applicati e le modalità di analisi, sono state tratte dal documento Experimental Research on Response of URM Building System a cura dei Prof. G. M. Calvi e G. Magenes, docenti all Università degli Studi di Pavia. L'edificio è stato costruito in laboratorio con quattro pareti a due teste di mattoni pieni, disposti con metodo inglese, con uno spessore totale del muro di 250 mm. Le dimensioni in pianta sono di 6 x 4.4 m e l altezza è di 6.4 m (Figura 10), con aperture non simmetriche e con disconnessioni tra una delle pareti longitudinali (parete D, parallela all azione di carico) e le sue trasversali (pareti A e C). Fig Icnografia della chies Musei Civici, D Figura 10 - Pianta piano primo edificio prototipo Ogni parete è vincolata al pavimento del laboratorio, simulando un vincolo di incastro con la fondazione, da considerarsi infinitamente rigida. I due orizzontamenti sono costituiti da elementi in acciaio tipo IPE realizzando quindi due piani flessibili. Sul piano costituito dai profili metallici, si considera applicata una soletta in c.a. di 4 cm, da considerarsi solo come carico ai fini dei calcoli (carico permanente non strutturale). Un ulteriore carico applicato ai due solai è costituito da blocchi di calcestruzzo che incrementano il carico di 1000 kg/m2, da considerarsi come carico variabile. In seguito allo studio effettuato, e alle prove svolte sull edificio prototipo, nel lavoro di tesi è stato ritenuto opportuno utilizzare il codice MasterSap, nonostante che l utilizzo di PC.M. e Fig Icnografia della chies PC.E Musei Civici, abbia D 1053, offerto particolare. comunque alcuni vantaggi N. N

5 4. MODELLAZIONE STRUTTURALE FATTORIA DI DORNA Una delle caratteristiche dell edificio in questione è la sua complessità geometrica. Con questa definizione si vuole intendere più fattori: i vari locali sono delimitati da pareti che hanno assi tra di loro non paralleli, e quasi sempre orientati secondo direzioni che divergono anche di pochi gradi; gli spessori delle pareti hanno una grande varietà, spaziando dai 15 cm delle pareti al primo piano della zona nord-est (molto probabilmente realizzate nelle ultime ristrutturazioni), ai quasi 200 cm delle pareti alla base della torre, chiaramente la parte più antica di tutto il borgo; i locali che fanno parte di un singolo piano, hanno quote spesso diverse, anche di pochi cm, con l inserimento di gradini in molte aperture; la quota di imposta del piano seminterrato varia con le diverse parti della costruzione, distinguendo comunque una grossa parte centrale che non presenta variazioni; molti orizzontamenti sono costituiti da volte, di tipo a botte, a crociera e a vela, che a causa dei locali di geometria non regolare individuano superfici curve molto diverse tra di loro; altezze diverse di alcune porzioni di fabbricato, descrivono forzatamente coperture poste a livelli diversi, rendendo la pianta delle coperture piuttosto complessa. La modellazione della Fattoria è stata dunque fatta seguendo questo percorso: Modellazione Pareti (Figura 11) Nella generazione delle pareti si è cercato di creare degli elementi bidimensionali, quanto più regolari in dimensione possibile, spesso utilizzando il comando di generazione automatica, così da velocizzare il lavoro (soprattutto alla luce delle notevoli dimensioni dell edificio). Modellazione volte a botte Queste strutture sono presenti quasi esclusivamente al piano seminterrato. Esse sono state modellate con elementi bidimensionali piuttosto regolari e simili (per dimensioni) tra di loro. Modellazione volte a crociera Esse sono presenti in una porzione di edificio ben precisa, ovvero nella parte sud dell edificio, sia a piano terra, che a piano primo. Ulteriori difficoltà nella loro modellazione, configurazione geometrica propria a parte, sono dovute al fatto che le pareti non descrivono locali di forma regolare. Modellazione volte a vela (Figura 12) Hanno caratterizzato la modellazione più difficoltosa. Proprio perché gli appoggi della vela incidono sulla mezzeria delle pareti, per chiudere il solaio sono state realizzate quattro semi-volte a crociera, rendendo molto più complessa sia la loro modellazione, che quella delle pareti che le delimitano. Figura 12 - Modellazione volte a vela Modellazione Fondazioni. Figura 11 - Modellazione pareti Per questi elementi non si hanno informazioni sul loro stato attuale, ed al momento della redazione della presente Tesi di Laurea non è stato possibile eseguire nessun tipo di indagine. 19

6 Si presuppongono delle fondazioni continue in pietra sotto tutte le pareti, e la loro larghezza è stata assunta pari a quella della parete sovrastante (o di poco superiore). Per quanto riguarda i parametri meccanici delle murature, il peso specifico della muratura di pietrame è stato assunto pari a 22 kn/ m 3. Per quanto riguarda invece i valori della resistenza media a compressione (f m ) e della resistenza media a taglio (τ 0 ), sono stati adottati i valori riportati in tabella C8A.2.1 della Circolare esplicativa n 617 del 2/2/2009. Inoltre, con riferimento al livello di conoscenza acquisito (LC1), sono stati di conseguenza definiti i valori medi dei parametri meccanici e i fattori di Fig Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, n. confidenza 108, filigrana (ripresa in relazione a luce trasmessa). a quanto riportato nella tabella C8A.1.1 della citata circolare. muratura in pietrame listata, descrivendo quindi una tessitura molto più ordinata. In questa zona, le pareti presentano sollecitazioni inferiori alla resistenza di progetto della muratura. Fanno eccezione soltanto alcune situazioni puntuali: piccole aree di trazione all appoggio delle travi in legno e sopra le aperture, e piccole aree con maggiore entità di compressione della parete in adiacenza delle aperture. Per quanto riguarda le pressioni trasmesse al terreno si è verificato la presenza di tensioni elevate nella zona sud del fabbricato, con pressioni che si riducono fino alla parte opposta costituita da locali più bassi e pareti perimetrali con minor spessore. 5. ANALISI STRUTTURALE È stata condotta una analisi statica nella quale sono state esaminate le sollecitazioni di taglio e di sforzo normale su tutti gli elementi guscio/ piastra (elementi bidimensionali) modellati. Oltre a verificare che il taglio e gli sforzi di compressione fossero contenuti nei limiti di resistenza assunti per il materiale, è stato verificato, per valutare la bontà della modellazione, che non ci fossero aree di muratura in trazione. Le Figure 13 e 14 riportano, globalmente, lo sforzo normale ottenuto. È possibile osservare quanto segue (per quanto attiene, ed a titolo di esempio, a due aree significative della costruzione): Fig Icnografia del Palazzo Carignano, Torino, Archivio di Stato, n. 108, contromarca (ripresa a luce trasmessa). Torre La torre risulta soggetta a sollecitazioni normali superiori a quelle ammissibili. Questo, non riconducibile a incertezze di modellazione numerica, è legato al fatto che la normativa, a causa della scarsa qualità della muratura con la quale risulta costituita la torre, penalizza fortemente il valore delle resistenze (anche in funzione, è bene ribadirlo, del livello di conoscenza raggiunto). Fig Icnografia della chies Musei Civici, D Figura 13 - Sforzo normale pareti Pareti Zona Nord-Ovest Questa parte del fabbricato è probabilmente stata costruita per ultima in ordine di tempo. Questa area presenta sollecitazioni inferiori al resto della costruzione, che hanno come conseguenza delle pressioni ridotte in fondazione. Inoltre le Fig Icnografia della chies Musei pareti Civici, esterne D 1053, sono particolare costituite (ripresa a in luce gran trasmessa). parte da Figura Fig Icnografia - Sforzo normale della chiesa volte vicentina seminterrato dell Araceli, Vicenza, Musei Civici, D 1053, particolare N. N

7 . Inoltre, in seguito allo svolgimento delle analisi assumendo un livello di conoscenza LC1, sono state svolte ulteriori analisi assumendo livelli di conoscenza più approfonditi, di livello LC2 e LC3. Questo è stato svolto allo scopo di valutare come un maggior approfondimento di indagine (e di conoscenza del fabbricato) può ripercuotersi in termini di riduzione, ed ottimizzazione, sul numero e sulla invasività degli interventi di recupero. Tutto questo anche alla luce del fatto che la costruzione in oggetto è tutelata dalla Sovrintendenza dei Beni Culturali e del Paesaggio, e per questa ragione si hanno minori possibilità di modificare le parti strutturali. In effetti aumentando il livello di conoscenza, tramite i valori riportati all interno della circolare esplicativa alle NTC2008, si incrementano i valori delle resistenze meccaniche delle pareti (nel caso, ovviamente, che le ulteriori indagini dimostrino il reale miglioramento delle caratteristiche della muratura) e di conseguenza questo si ripercuote sulle verifiche degli elementi strutturali. Nel lavoro di tesi è stata anche condotta una verifica sismica del complesso strutturale, determinando le forze sismiche di progetto, necessaria al fine di definire compiutamente gli opportuni interventi di restauro conservativo delle strutture. 6. CONCLUSIONI La tesi ha analizzato la Fattoria di Dorna, e nello studio sono state anche eseguite delle verifiche comparative tra diversi codici di calcolo. Scopo finale dell analisi della Fattoria è stato quello di definire, e progettare, gli interventi di consolidamento delle diverse parti della struttura. Per le pareti in muratura sono stati previsti interventi tradizionali tramite iniezioni con miscele leganti, il ripristino delle continuità murarie con tecniche cuci - scuci, e il contenimento delle spinte orizzontali mediante incatenamenti metallici. Sono state inoltre valutate le condizioni degli elementi che compongono i solai in legno, e riverificati secondo le vigenti normative; sono stati previsti appositi ancoraggi degli stessi solai all interno delle murature portanti e l inserimento di connettori tra elementi in legno e soletta in c.a. Per il consolidamento delle volte è stato studiato l impiego di fasce in FRP, per l efficace ripristino di resistenza, velocità di applicazione e congruenza con le linee proprie del restauro. Infine, in copertura sono stati previsti dei cordoli in muratura armata per il collegamento della copertura stessa alle murature portanti. BIBLIOGRAFIA Francesco Pugi, Edifici in Muratura e nuova Normativa Sismica: l Analisi Pushover come evoluzione del metodo Por, Alinea, Firenze 2006 MasterSap Software per l ingegneria Analisi, Verifiche e Disegno strutturale Manuale d Uso, Collana AMV, AMV Software Company G.M. Calvi, G. Magenes, Experimental research on response of URM building systems, 39 pagine, Pavia, 1994 Linee Guida per la valutazione e riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale allineamento alle nuove Norme tecniche per le costruzioni, 2010; Circolare 2 febbraio 2009, n.617 Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, Istruzioni per l applicazione delle <<Nuove norme tecniche per le costruzioni>> ; D.M. 14 gennaio 2008, Nuove norme tecniche per le costruzioni DANNI_rev.pdf (Meccanismi di collasso nelle murature sottoposte a sisma) nsf/e5b5d7483c87a29cc1256d2f005a22e4/0 ab0f2f49576b686c b41f/$file/ ATTX30WV/3B1-ANALISI%20DELLE%20PRIN- CIPALI%20TECNICHE%20DI%20INTERVEN- TO_v02.pdf (Regione Molise Edifici in muratura, analisi delle principali tecniche di intervento e limiti della loro applicabilità) DIS/1999/Borri_Avorio_Cangi.pdf (Riparazione degli edifici in muratura: il Manuale della Regione Umbria) RINGRAZIAMENTI Si ringraziano l Arch. Veronica Granelli, il Geom. Antonio Artini e il Geom. Piero Boncompagni per il materiale grafico relativo al rilievo metrico e materico accurato della Fattoria di Dorna ; l'ing.enrico Gennai per il prezioso suggerimento di sviluppare la Tesi di Laurea su questo edificio e per l'aiuto offerto durante tutto lo svolgimento del lavoro. 21