Il monitoraggio strutturale della Basilica di San Gaudenzio in Novara

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1 Il monitoraggio strutturale della Basilica di San Gaudenzio in Novara Prof. Paolo Zanon Ordinario di Tecnica delle Costruzioni, Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Strutturale, Università di Trento, via Mesiano 77, 385 Trento, Italy. Sommario Nell articolo si presenta il resoconto dei dati rilevati dal sistema di monitoraggio statico installato nella Basilica di S. Gaudenzio. Le misurazioni, riferite al periodo che va da luglio a dicembre 2, sono quelle riportate nei certificati ufficiali redatti dal Laboratorio Prove Materiali e Strutture dell Università di Trento e consegnati al Comune di Novara. Si descrivono in dettaglio le strumentazioni e si analizzano i primi risultati con lo scopo di comprendere il comportamento strutturale della Cupola e di metterne in evidenza la correlazione con le condizioni ambientali e climatiche. Il quadro delle condizioni strutturali che ne risulta è esaustivo, ma la sua completezza risente della durata limitata del periodo di monitoraggio. Introduzione Il monitoraggio è l insieme delle procedure e degli strumenti atti ad assicurare il controllo delle condizioni strutturali di un edificio. Un sistema di monitoraggio prevede la misurazione per un certo periodo di tempo di quelle grandezze (forze, spostamenti, temperature, accelerazioni, ecc ) che si ritengono rappresentative del comportamento strutturale. Il progetto e la realizzazione del sistema di acquisizione dei dati si compone di tre fasi: (i) scelta dei parametri necessari per cogliere il reale comportamento della struttura; (ii) scelta degli strumenti di rilevazione e della loro ubicazione; (iii) progetto ed installazione del sistema di acquisizione dei dati. La strumentazione messa in opera sulla cupola di San Gaudenzio si basa sul progetto realizzato dall'ing. Gianpiero Germanino, che prevede l'installazione di più di un centinaio di strumenti: 52 fessurimetri, 16 distanziometri, 6 celle di carico, 5 livellometri, un pendolo ed un certo numero di termoresistenze, destinate a misurare le variazioni di temperature a diversi livelli della struttura. 1

2 Lo schema generale è quello rappresentato in ig. 1. Si sono posti in opera 17 concentratori di dati, che raccolgono le registrazioni dei singoli strumenti e li trasmettono verso la centralina, che è ubicata a quota 76 metri. Nel seguito si illustreranno nel dettaglio le strumentazioni ed i dati più significativi da esse ricavati. Si distinguono due gruppi di misure: quelle relative alle celle di carico poste a 3.5 metri e a 39 metri per il controllo della trazione negli anelli di cerchiatura e quelle relative a tutti gli altri strumenti, posti a varie quote all interno ed all esterno della Cupola INDICATORE DI POSIZIONE 1 PENDOLO LASER PAG. 17 PAG ESSURIMETRI 7 CELLE TERMOMETRICHE PAG DI STANZIOMETRI 3 ESSURIMETRI ESSURIMETRI PAG. 1 PAG UNITA DI CONTROLLO PAG ESSURIMETRI 1 CELLA TERMOMETRICA DI STANZIOMETRI 2 ESSURIMETRI ESSURIMETRI PAG. 12 PAG. 11 PAG. PAG ESSURIMETRI PAG DI STANZIOMETRI 2 CELLE TERMOMETRICHE PAG ESSURIMETRI PAG ES SURIMETRI PAG ESSURIMETRI DI STANZIOMETRI 1 CELLA TERMOMETRICA PAG CELLE LIVE LLOMETRICHE 2 CELLE TERMOMETRICHE PAG ESSURIMETRI 1 CELLA TERMOMETRICA PAG. 2 NEI DISEGNI TUTTE LE QUOTE D I LIVELLO SONO STATE RICAVATE DAL DISEGNO DI SEZIONE REALIZZATO DA ALTRI D IPARTIMENTO DI INGEGNERIA MECCANICA E STRUTTURALE LABORATORIO PROVE MATERIALI E STRUTTURE 251 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRENTO ACOLTÀ DI INGEGNERIA igura 1: Schema generale del sistema di monitoraggio L anello di cerchiatura e le celle di carico La messa in opera delle celle di carico in corrispondenza delle due cerchiature che hanno interessato la parte bassa della cupola è stata svolta con procedura d urgenza. La prima cerchiatura si trova a 3.5 metri di quota, la seconda al livello immediatamente superiore (39 metri circa). L'anello di cerchiatura, rappresentato in ig. 2a, è interrotto in quattro punti; in tre sono state poste delle celle di carico, mentre nel quarto è predisposto l alloggiamento per un martinetto idraulico con il quale, qualora fosse necessario, sia possibile, in ogni momento, regolare la tensionatura della cerchiatura. Vicino ad ogni cella di carico è posta una termoresistenza, per misurare il livello di temperatura nell'acciaio costituente la cerchiatura. 2

3 ABSIDE EST POSIZIONE STRUMENTI A QUOTA 3.5 mt NORD C52 R5 R ig. 2 a) C53 R53 R51 C51 TERMORESISTEN ZE CELLE DI CARICO A TRAZIONE NAVATA OVEST ig. 2 b) 11 Cella di carico Strumento C51 9 ig. 2 c) 8 Va ria zio 7 ni di 6 ca ric o 5 [t] lug lug lug ag o 12 ag o 22 ag o set set set ott ott ott ott no v 2 no v no v 2 dic dic dic igura 2: a) schema della cerchiatura b) cerchiatura a quota 3.5 m c) tiro nella cerchiatura 3

4 La cerchiatura messa in opera a quota 3.5 metri, protetta da un elemento isolante, è illustrata in ig. 2b, mentre nella ig. 2c è riportata la variazione nel tempo dello sforzo di trazione a cui è sottoposta la cerchiatura; in luglio il tiro era approssimativamente di kg, mentre a fine anno si è raggiunto un livello di circa 55 kg. Le altre celle di carico rilevano andamenti sostanzialmente simili, pur partendo da valori del tiro iniziale leggermente differenti. Va fin d ora osservato che questo incremento di tiro nella cerchiatura deve comunque essere correlato alle altre grandezze fisiche, quali la temperatura, la dilatazione delle cerchiature e le azioni esterne (vento, sisma, ecc...). Da luglio a dicembre si è avuta una sostanziale diminuzione stagionale di temperatura, ma a questa va sovrapposta l'escursione termica giornaliera, che in alcuni periodi dell anno risulta molto accentuata. La diminuzione della temperatura determina ovviamente la diminuzione delle dimensioni geometriche della cerchiatura e, di conseguenza, può portare a un incremento dello sforzo di trazione. Le temperature sono state misurate in tre posizioni cardinali differenti. Ovviamente quelle esposte a sud presentano variazioni giornaliere più elevate che non quelle disposte a ovest. Il secondo livello al quale è stata applicata la cerchiatura é a 39.5 metri, la disposizione delle celle di carico e quella delle termoresistenze è analoga a quanto già detto per il livello inferiore. Gli sforzi nelle cerchiature hanno valori più bassi, ma anche in questo caso si manifesta un leggero aumento della trazione nel tempo. La temperatura presenta minori variazioni giornaliere, ciò è imputabile al fatto che la cerchiatura si trova in una zona più protetta, e in gran parte ombreggiata dal parapetto esistente a quella quota. La strumentazione diffusa Gli strumenti disposti al livello più basso (circa 1 metri di quota) sono alcuni fessurimetri, posti sulle pareti della basilica e sulle pareti esterne immediatamente al di sotto della copertura delle cappelle laterali della basilica (ig. 3a). L'ampiezza delle fessure (ig. 3b, e 3c) cambia in funzione della variazione stagionale della temperatura con una sensibilità diversa per ogni parete. Nei prossimi sei mesi la temperatura ritornerà ai livelli misurati nei mesi di giugno e luglio dello scorso anno; solo allora si potrà capire se l'ampiezza delle fessure dipende, nel corso del tempo, solo dall'andamento della

5 temperatura o se invece manifesta un accumulo di spostamenti che portano a un incremento continuo dell'apertura della fessura. A quota 17 metri circa, sono stati disposti dei livellometri mediante i quali si possono rilevare eventuali variazioni di livello della basilica rispetto a un piano orizzontale (ig. a). Non potendo disporre di livellometri alla quota delle fondazioni si è scelto, in questa fase, di operare a livello dell imposta della volta della navata. I livellometri sono celle comunicanti tra loro e contenti un liquido; le variazioni più significative del livello del liquido vengono misurate in funzione del tempo (ig c). Le escursioni giornaliere della temperatura manifestano piccola variazioni nel periodo estivo mentre, nel periodo invernale si registrano escursioni maggiori, in particolare dal mese di novembre in poi, in corrispondenza delle festività, in generale con cadenza settimanale, si rilevano picchi di temperatura giornalieri dovuti all attivazione dell'impianto di riscaldamento nella basilica. Tali picchi sono più evidenti in corrispondenza delle festività (ig. d). 5

6 NORD POSIZIONE STRUMENTI A QUOTA 1. mt ESSURIMETRI TERMORESISTENZE ig. 3 a) A 2 1 R1 B essurimetri Strumento 1.6. ig. 3 b) Variazioni di distanza [mm lug 13lug 23lug 2ago 12ago 22ago 1set 11set 21set 1ott 11ott 21ott 31ott nov 2nov nov dic 2dic dic 1.8 essurimetri.6. ig. 3 c) Variazioni di distanza [mm.2.2 Strumento lug 13lug 23lug 2ago 12ago 22ago 1set 11set 21set 1ott 11ott 21ott 31ott nov 2nov nov dic 2dic dic igura 3: a) posizione degli strumenti a quota 1. m b) c) variazione di ampiezza delle fessure 6

7 NORD POSIZIONE STRUMENTI A QUOTA 17. mt LIVELLOMETRI TERMORESISTENZE ig. a) L2 L23 L2 R21 L21 L22 R22 Livellometri Strumento L2 25 ig. b) Variazioni di livello del liquido [mm] lug 13lug 23lug 2ago 12ago 22ago 1set 11set 21set 1ott 11ott 21ott 31ott nov 2nov nov 6 5 Temperature Strumento R21 ig. c) Temperature [C 2 3lug 13lug 23lug 2ago 12ago 22ago 1set 11set 21set 1ott 11ott 21ott 31ott nov 2nov nov dic 2dic dic igura a) posizione delle celle livellometriche b) variazione di livello c) andamento della temperatura 7

8 A quota 26.5 metri sono stati disposti distanziometri (ig. 5a), che hanno il compito di rilevare eventuali variazioni di diametro della struttura. Gli strumenti sono stati montati utilizzando, per quanto possibile, i sostegni che erano già stati utilizzati da Danusso. Le misure rilevate dai distanziometri dimostrano incrementi del diametro della Cupola che arrivano fino a circa 1.5 millimetri (ig. 5b). Anche in questo caso è da rilevare però una qualche correlazione con le variazioni di temperatura, è pertanto quanto mai opportuno effettuare ulteriori indagini per comprendere quanto la temperatura possa costituire l unico fattore che influenza la dilatazione della Cupola o quanto più preoccupanti cause strutturali possano concorrere allo sviluppo del fenomeno. È degno di nota il fatto che i fessurimetri, disposti a presidio della fessura esistente tra l'anello in cemento armato messo in opera da Danusso e la struttura stessa, misurano variazioni consistenti, raggiungendo anche un valore pari a circa.5 millimetri in sei mesi (ig. 5c). Al livello superiore, a quota 29 metri, sono stati messi in opera vari fessurimetri a presidio delle fessure orizzontali presenti nelle colonne più esterne (ig. 6a). Gli strumenti sono dotati di una base di misura molto ampia in modo da cogliere contemporaneamente la presenza di più fessure orizzontali. Le variazioni registrate sono molto modeste, a dimostrazione che le fessure orizzontali sono sostanzialmente stabili. A quota 3.5 metri, in corrispondenza delle piattabande che collegano i tre ordini di fulcri radiali (igg. 6b6c), sono stati disposti altri fessurimetri. Le variazioni di ampiezza rilevate anche in questo caso sono piuttosto modeste. Altri distanziometri, posti a 37.5 metri di quota, rilevano la variazione di diametro della struttura al di sotto della volta a cassettoni. In questa zona la variazione di temperatura giornaliera è più marcata rispetto al livello inferiore essendo in presenza di un'insolazione diretta, la variazione del diametro ha raggiunto nei primi sei mesi approssimativamente i 2 millimetri. In ig. 7 a) è riportata la disposizione dei distanziometri, le registrazioni di uno di essi e la temperatura misurata alla stessa quota sono riportate in fig 7b e ig. 7c. I fessurimetri disposti a quota 39 metri, a cavallo delle fessure che collegano i fulcri disposti in direzione radiale, rilevano una escursione giornaliera relativamente grande, mentre la variazione su sei mesi non è molto forte. Anche i fessurimetri posti a quota 1 metri (a livello della base della cupola a cassettoni) e quelli a quota 5 metri manifestano variazioni non molto grandi. 8

9 POSIZIONE STRUMENTI A QUOTA 26.5 mt ABSIDE EST NORD ig. 5 a) 1 2 D D2 D D3 R DISTANZIOMETRI ESSURIMETRI TERMORESISTENZE NAVATA OVEST Distanziometri Strumento D 1. ig. 5 b) Variazioni di distanza [mm] lug 13lug 23lug 2ago 12ago 22ago 1set 11set 21set 1ott 11ott 21ott 31ott nov 2nov nov dic 2dic dic 1.8 essurimetri Strumento 3.6. ig. 5 c) Variazioni di distanza [mm] lug 13lug 23lug 2ago 12ago 22ago 1set 11set 21set 1ott 11ott 21ott 31ott nov 2nov nov dic 2dic dic igura 5 a) disposizione distanziometri b) c) variazione dei diametri a quota

10 POSIZIONE STRUMENTI A QUOTA 29. mt D C ig. 6 a) A B Le quote sono espresse in centimetri STRUM. COL. H I A B C D H mt H I I POSIZIONE STRUMENTI A QUOTA 3.5 mt ABSIDE EST NORD ig. 6 b) ESSURIMETRI NAVATA OVEST ig. 6 c) igura 6 a) disposizione fessurimetri a quota 29. m b) disposizione fessurimetri a quota 3.5 m c) fessure nelle piattabande

11 1 POSIZIONE STRUMENTI A QUOTA 37.5 mt ABSIDE EST R65 NORD D ig. 7 a) D D6 DISTANZIOMETRI TERMORESISTENZE D63 R6 NAVATA OVEST Distanziometri Strumento D6 2. ig. 7 b) Variazioni di distanza [mm] lug 13lug 23lug 2ago 12ago 22ago 1set 11set 21set 1ott 11ott 21ott 31ott nov 2nov nov dic 2dic dic 6 5 Temperature Strumento R6 ig. 7 c) Temperature [C ] 2 3lug 13lug 23lug 2ago 12ago 22ago 1set 11set 21set 1ott 11ott 21ott 31ott nov 2nov nov dic 2dic dic igura 7 a) disposizione dei distanziometri a quota 37.5 b) variazioni di diametro c) variazioni di temperatura 11

12 I distanziometri posti a livello 52.5 metri, all interno della Gran Sala, mostrano delle variazioni di diametro dell'ordine di 1.5 millimetri in sei mesi. All'interno della Gran Tazza, a quota 75 metri, sulle costolature e sulle vele sono visibili delle fessure che sono state strumentate come mostrato in ig. 8: alcuni strumenti sono posti a cavallo delle fessure verticali presenti nelle nervature e alcuni sono disposti in modo tale da misurare l'ampiezza della fessura che scorre lungo la nervatura. POSIZIONE STRUMENTI A QUOTA 75. mt NORD ABSIDE EST ESSURIMETRI NAVATA OVEST igura 8 Disposizione dei fessurimetri nella Gran Tazza Le fessure manifestano variazioni giornaliere abbastanza marcate, mentre sul lungo periodo non si registrano variazioni molto grandi. Salendo di livello, fino a quota 76 metri, si trovano altri distanziometri a filo e ulteriori fessurimetri (ig. 9a). I distanziometri manifestano grandi variazioni giornaliere, legate alle elevate escursioni termiche presenti sulla Gran Tazza, inoltre, sull intero periodo di osservazione, si registra un significativo incremento del diametro della cupola (ig. 9b). Per quanto riguarda la misura della verticalità dell intera cupola sarebbe necessario mettere in opera un pendolo che dalla sommità del Cupolino arrivi fino al pavimento della Basilica. In realtà ciò non è possibile poiché l intervento del Danusso sul Capolino ha ostruito con il cemento armato il passaggio che un tempo era libero. Si deve inoltre constatare l impossibilità di assumere come riferimento il pavimento della navata per non interferire con la normale utilizzazione della Basilica stessa. 12

13 ANCORAGGIO D11 ANCORAGGIO D12 ANCORAGGIO D13 POSIZIONE STRUMENTI A QUOTA 76. mt = = D * Rif. quote D mt C COLONNA E quote * Rif COLONNA 25.7 ig. 9 a) B COLONNA STRUM. COL. A B STRUM. COL. D11 C 89.5 E 95 A D D * Rif. quote Rif. quote * D D1 ANCORAGGIO 7 9 Le quote sono espresse in centimetri Distanziometri Strumento D11 1. ig. 9 b) Variazioni di distanza [mm] lug 13lug 23lug 2ago 12ago 22ago 1set 11set 21set 1ott 11ott 21ott 31ott nov 2nov nov dic 2dic dic igura 9. a) disposizione dei distanziometri nella Gran Tazza b) variazioni di diametro della Gran Tazza Per tali motivi si è posto in opera un pendolo rovescio, con il punto fisso a quota 18.3 metri e con un galleggiante a quota 78.8 metri (ig. a). Le variazioni di posizione del pendolo sono rilevate in due direzioni ortogonali (x e y) e sono rappresentate in funzione del tempo in igg. bc. 13

14 + POSIZIONE STRUMENTO PENDOLO LASER GALLEGGIANTE VASCA STRUMENTO CORDINO ig. a) Asse Y PART. IN PIANTA DELLO STRUMENTO P POS. STRUMENTO T NORD R + T Asse X R PART. IN PIANTA ANCORAGGIO CORDINO ABSIDE EST CORDINO PENDOLO 788 TRANSETTO NORD TRANSETTO SUD ANCORAGGIO CORDINO 18 NAVATA OVEST Rif. PAVIMENTO BASILICA Le quote sono espresse in centimetri 8 Pendolo Laser Strumento P13Y ig. b) 6 spostamenti [mm] set 3ott 23ott 12nov 2dic 22dic tempo [giorni] 8 Pendolo Laser Strumento P13X 6 ig. c) spostamenti [mm] set 3ott 23ott 12nov 2dic 22dic tempo [giorni] igura a) disposizione del pendolo rovescio b) spostamento del pendolo in direzione y c) spostamento del pendolo in direzione x 1

15 POSIZIONE STRUMENTI A QUOTA 78. mt R13m R13e R13i * Rif. quote mt COLONNA STRUM. COL. A B COLONNA 17 Le quote sono espresse in centimetri A B Rif. quote * * Rif. quote 6 5 Temperature Strumento R13e1 Temperature [C ] 2 3lug 13lug 23lug 2ago 12ago 22ago 1set 11set 21set 1ott 11ott 21ott 31ott nov 2nov nov dic 2dic dic igura 11 a) fessurimetri disposti sulla Gran Tazza b) schema della diposizione degli strumenti a quota 78 metri c) variazione della temperatura all esterno della Gran Tazza 15

16 Nella parte alta della Gran Tazza sono stati messi in opera vari fessurimetri in corrispondenza del collegamento tra nervature e vele ed inoltre una serie di termoresistenze in varie posizioni (ig 11a) mentre altre sono state disposte all'esterno della volta, all'interno della Gran Tazza e nello spessore della muratura, per cogliere il gradiente della temperatura nello spessore delle vele (ig. 11b). I fessurimetri hanno rilevato la presenza di grandi variazione di ampiezza, dovute al notevole gradiente termico tra parte esterna ed interna della Gran Tazza. La temperatura interna infatti varia in modo abbastanza graduale, mentre quella esterna presenta elevate escursioni giornaliere (ig. 11c). Conclusioni e ringraziamenti L autore ringrazia il Comune di Novara per aver offerto l'opportunità al Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Strutturale ed al Laboratorio Prove Materiali e Strutture dell'università di Trento di lavorare su un monumento di grande pregio storico ed architettonico qual è la Basilica di San Gaudenzio. Si può ritenere che il lavoro fin quì svolto abbia pienamente colto gli obiettivi, non solo per quanto riguarda l'aspetto esecutivo, ma anche per quanto riguarda l'aspetto tecnico scientifico. L attività sulla Cupola ha offerto lo spunto per numerosi studi intrapresi sia a livello di tesi di laurea sia a livello di ricerca. Il contratto con il Comune di Novara è stato sottoscritto il 1 o marzo 2 il sistema di monitoraggio completo è stato consegnato il 28 giugno, alcune operazioni sono state anticipate rispetto alla data di sottoscrizione del contratto per tenere conto della necessità di strumentare gli anelli di cerchiatura posti in opera con somma urgenza. Durante il periodo di attività si sono incontrate alcune difficoltà, sia di natura tecnica che burocratica ed amministrativa, che sono state però affrontate e superate con successo. 16