SISTEMI INTEGRATI PER IL RESTAURO DELLE STRUTTURE LIGNEE ANTICHE. Relazione finale Parte 3 (capitoli 3-5)

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1 DOCUP Misura 1.8 Aiuti alla ricerca industriale e precompetitiva. PROGETTO: SISTEMI INTEGRATI PER IL RESTAURO DELLE STRUTTURE LIGNEE ANTICHE Relazione finale Parte 3 (capitoli 3-5) Via Pratese, 114 int FIRENZE Tel/Fax SISTEMA QUALITÀ

2 3 INTERVENTI Coerentemente con gli obiettivi del progetto, sono stati realizzati 3 interventi pilota, nelle tipologie di intervento più frequentemente riscontrabili: 2 per il consolidamento di testate (rispettivamente, nel caso di giunto catena-puntone di capriate e di trave di solaio) ed 1 per l incremento della capacità portante di solai. Per espressa richiesta di uno dei proprietari, non si indicano gli estremi degli immobili interessati dagli interventi. 3.1 Consolidamento di testate Giunto catena-puntone di capriate L intervento descritto riguarda il restauro della copertura lignea di una chiesa. La struttura principale della copertura è formata da 11 capriate palladiane (con un monaco e due saette) di luce 14 m circa. Le capriate si presentavano in forte stato di dissesto evidenziato dalla notevole inflessione della catena e dall abbassamento del colmo che in alcuni casi raggiungeva i 20 cm; le saette risultavano spesso lente. Nella maggior parte dei casi il dissesto è stato causato dall avanzato stato di degrado per carie delle testate in corrispondenza degli innesti a muro a causa delle infiltrazioni di acqua meteorica dal tetto. Nel recente passato era stato ripristinato il manto di copertura mediante l applicazione di una guaina bituminosa che ha arrestato l avanzare del degrado ma non ha mitigato il dissesto probabilmente già avvenuto. Indagini diagnostiche Sono state eseguite indagini diagnostiche su tutte le 11 capriate al fine di determinare la geometria, lo stato di conservazione, la specie legnosa, la qualità meccanica e l efficienza dei giunti di tutti gli elementi e di tutti i giunti. A titolo di esempio si riportano i risultati delle indagini eseguite sulla capriata n C3, situazioni analoghe sono state riscontrate anche sulle altre capriate. Restituzione grafica dello stato di conservazione della capriata C3; il tratteggio semplice indica degrado da insetti, il tratteggio incrociato degrado da carie. Pag. 68

3 Capriata/ elemento C3 Specie legnosa Categoria Stato di conservazione / note particolari Perdita di geometria della capriata con allentamento delle saette; catena formata da due pezzi con freccia massima 16cm al centro; il giunto sulla catena risulta inefficiente Puntone Sx A 2 a Degrado da insetti superficiale; carie in testata Sx c Puntone Dx A 2 a Degrado da insetti superficiale; carie in testata Dx c Catena Sx A 1 a Degrado da insetti superficiale; carie in testata Sx c Catena Dx A 2 a Degrado da insetti superficiale; carie in testata Dx c Monaco O 4 a Buono stato di conservazione s Saetta Sx P 4 a Buono stato di conservazione, giunto inferiore sconnesso s Saetta Dx P 2 a Degrado da insetti superficiale v Mensola Sx Q nc Degrado da carie c Mensola Dx Q nc Buono stato di conservazione v Legenda: nr non rilevato Specie legnose: A abete P pioppo O olmo Q quercia Categoria: 4 a elemento non idoneo per impiego in strutture a carattere permanente nc non classificato Indicazioni: v verificare: elementi in buono stato di conservazione o con modesti problemi di degrado, decidere in base all esito delle verifiche statiche c consolidare: elemento giudicato non efficiente in genere per degrado che può essere consolidato facilmente s sostituire: elemento giudicato non efficiente per qualità del materiale e/o gravità del degrado che non può essere recuperato. Indicazioni Scelta degli interventi Analisi del funzionamento statico prima degli interventi Il degrado sulle testate aveva provocato i seguenti fatti: l allentamento del giunto fra carena e puntone, i puntoni avevano avuto scorrimento verso l esterno, di conseguenza le capriate avevano subito notevole perdita di geometria evidenziata dall abbassamento del colmo; lo schema statico delle capriate risultava variato da struttura reticolare chiusa a cavalletto spingente sulle murature, fatto notevolmente dannoso in zona sismica; la perdita di geometria aveva provocato l allentamento delle saette e la conseguente perdita di carico all interno di esse provocando un notevole aumento delle sollecitazioni di flessione all interno dei puntoni; la catena lignea risultava sgravata dallo sforzo normale trasmesso dai puntoni e gravata da un carico concentrato al centro dovuto al monaco adagiato su di essa, di conseguenza la notevole sollecitazione di flessione ne aveva provocato la rottura dei giunti a dardo di Giove presenti all interno della catena e la vistosa inflessione. Alternative di intervento Nel caso in esame le capriate mostravano una tale quantità di problemi ed un dissesto tale da suggerirne la sostituzione integrale; tale ipotesi è stata subito scartata per i seguenti motivi: non compatibile con i criteri di conservazione; ubicazione del cantiere in un centro storico non raggiungibile da una adeguata autogrù; costi per il montaggio delle nuove capriate in assenza di autogrù troppo elevati. Pag. 69

4 Altra ipotesi, inizialmente prevista in progetto, era la ricostruzione delle testate con betoncino epossidico, come descritto nella voce del Prezziario Ufficiale della Regione Marche: RICOSTRUZIONE DI PARTI FATISCENTI DI STRUTTURE IN LEGNO VOL. > DI 50 DMC Ricostruzione di parti fatiscenti di strutture in legno, per volume ricostruito superiore a 50 dmc., come teste di travi o nodi di capriate in corrispondenza degli appoggi o di qualsiasi parte di elementi strutturali ammalorati da eseguire previa asportazione delle marcescenze mediante collocamento in opera di armature in barre di vetroresina o acciaio per mezzo di trapanazioni o fresature nelle parti sane del legno. Compreso ogni onere per la pulizia ed il disarmo a stagionatura avvenuta ed esclusi i ponteggi per la formazione dei piani di lavoro in quota, rimozioni e ricollocamento in opera delle sovrastrutture. Ricomposizione delle sezioni stabilite mediante getto in beton epossidico. Questa ipotesi è stata scartata per i seguenti motivi: elevato costo (si veda il confronto dei costi riportato in seguito); ricostruzione con materiale (beton epossidico) reologicamente troppo diverso dal materiale base (legno); pericolosa modifica del funzionamento statico (il giunto fra catena e puntone che originariamente era una cerniera sarebbe stato trasformato in incastro). La tecnica scelta è stata la ricostruzione delle testate degradate con protesi di legno lamellare connesse con barre di acciaio fissate con malta epossidica. Questa tecnica assicura la compatibilità fra i materiali, la semplicità di esecuzione ed il costo moderato. Descrizione dell intervento Nel disegno che segue è riassunto l intervento tipo; chiaramente la geometria dell interevento è stata ridefinita per ogni testata da consolidare. vista filo muro tassello di quercia 150x90x230 barra Ø18 l1.265 sezione listello 48x24 > barra Ø18 fissata con malta epossidica protesi in legno lamellare 230x430x915 barra Ø18 l L utilizzo del legno lamellare incollato per la realizzazione della protesi nasce dall esigenza di reperire grosse sezioni (in questo caso 24x40cm) di legno non umido, l utilizzo di legno umido provocherebbe la stagionatura in opera accompagnata da pericolose deformazioni per ritiro del legno, inoltre l incollaggio epossidico su legno umido non garantisce la tenuta. Per l incollaggio delle barre è stata utilizzata malta epossidica da legno a consistenza tixotropica in modo tale che la malta non defluisca dalla sede dell incollaggio. Generalmente il puntone risulta degradato nella zona inserita nella muratura, in tal caso non è necessario ricostruire anche la testa di questo in quanto può essere ridisegnato il giunto fra catena e puntone per saltare la zona degradata. Fra il dente del puntone e quello della catena l inserimento di una chiave di legno duro (quercia) facilita le operazioni di montaggio della protesi e migliora l accoppiamento, potendo la chiave essere conformata ed inserita come ultima operazione subito prima dell incollaggio delle barre. La chiave può anche estendersi lungo l intradosso del puntone per contrastare in zona di legno sano. Pag. 70

5 L inserimento delle barre parallelamente alla fibratura, che è la direzione secondo la quale il legno ha ritiri e rigonfiamenti trascurabili, garantisce la compatibilità fra i materiali; una eventuale barra inserita trasversalmente rispetto alla fibratura contrasterebbe il ritiro e rigonfiamento del legno generando pericolose autotensioni di taglio alternate sull incollaggio. Per questo motivo è opportuno che le barre siano sempre inserite parallelamente alla fibratura. Progettazione ed esecuzione Metodo di calcolo Il calcolo dell intervento si riduce al calcolo della resistenza all estrazi one delle barre di ancoraggio, oltre ovviamente alla verifica dell intaglio del giunto catena puntone come per una normale capriata. La sollecitazione prevalente è quella di trazione che può essere divisa per le barre presenti ed incrementata forfetariamente del 50% in quanto non è detto che lo sforzo si ripartisca equamente fra le barre superiori e quelle inferiori. L incertezza dovuta alle lavorazioni sull effettivo contatto fra catena e puntone rende inaffidabile una eventuale analisi più accurata. La sollecitazione di taglio derivante dal peso proprio della catena viene ampiamente assorbita per contatto lungo la superficie di separazione inclinata, tale funzionamento non necessita di particolari verifiche. La sollecitazione di flessione dovuta al peso proprio della catena è normalmente ininfluente e quindi trascurabile. Le formule per il calcolo della resistenza ad estrazione delle barre sono riportate in UNI ENV : Eurocodice 5 - Progettazione delle strutture di legno, parte 2: Ponti. Tecniche operative ed attrezzature La capriata deve essere opportunamente puntellata e forzata in maniera tale da provocare il leggero distacco di catena e puntone. Si esegue il taglio della zona degradata con elettrosega a catena dopo aver disegnato la linea di taglio su ambedue le facce della catena lignea, si utilizzano come guida due tavole inchiodate lungo le linee di taglio, si realizza un taglio inclinato di 60 rispetto al piano orizzontale, eventualmente la superficie di taglio può essere regolarizzata o con la lama stessa della elettrosega o con una pialla elettrica. Si realizza la protesi sulla base del taglio eseguito. L ancoraggio della protesi si realizza mediante barre di acciaio inserite in appositi canali scavati lateralmente alla protesi ed alla catena. La realizzazione dei canali può essere eseguita con sega circolare portatile, le più comuni hanno la regolazione della profondità di taglio fino a 55mm ma esistono seghe portatili anche con profondità di taglio di 85mm ed oltre, l unico limite è l utilizzabilità in cantiere limitata dal peso dell attrezzo (si pensi alla posizione scomoda dell Operatore che esegue il taglio lungo la superficie verticale di un elemento in opera), superati i 10kg si può ritenere l attrezzo non utilizzabile in cantiere. L elettrosega a catena ha l inconveniente di lasciare il canale sporco di olio il quale inibisce l adesione della malta epossidica, pertanto è necessario, a profondità raggiunta, ripassare ancora una volta la lama nei canali avendo cura di svuotare prima il serbatoio dell olio e quindi procedere in assenza di lubrificazione, con possibilità di danno per l attrezzo. Altri attrezzi quali frese portatili a rotazione o a catena risultano di difficile utilizzo e comunque difficilmente in dotazione alle imprese esecutrici. In alternativa le barre possono essere inserite in appositi fori praticati di testa mediante punte da legno di opportuna lunghezza e diametro e la resina può essere iniettata attraverso fori di controllo eseguiti lateralmente, tale tecnica è molto più complessa e non garantisce migliori risultati. Le barre dovranno essere alloggiate dopo aver riempito i canali con malta epossidica, avendo cura di spingerle in profondità affinché risultino completamente avvolte dalla malta epossidica. A malta ancora fresca i canali dovranno essere tappati con listelli forzati all interno mediante morsetti che andranno mantenuti per almeno 24 ore; la corretta esecuzione potrà essere verificata controllando in questa fase l espulsione della malta in eccesso. A malta ancora fresca i canali dovranno essere tappati con listelli forzati all interno mediante morsetti che andranno mantenuti per almeno 24 ore; la corretta esecuzione potrà essere verificata controllando in questa fase l espulsione della malta in eccesso. Pag. 71

6 Lavorazione della protesi; si utilizza una sega circolare per tracciare i canali per l alloggiamento delle barre, poi si realizzano i canali asportando il legno inciso con lo scalpello Dopo aver adeguatamente puntellato la capriata si esegue il taglio inclinato con la elettrosega. La protesi viene posizionata e fissata provvisoriamente con tavole laterali avvitate che assicurano l assenza di movimenti fino a incollaggio efficace. Spalmatura della malta epossidica con uso di una spatola larga, è bene utilizzare anche un altra spatola di larghezza non superiore a quella del canale. Inserimento della barra di acciaio. Il listello viene spinto all interno del canale. In alternativa ai morsetti si utilizzano traversini di legno avvitati, forzando il listello nel canale, si ha la fuoriuscita della malta epossidica in eccesso. Pag. 72

7 La stessa tecnica può essere utilizzata anche per ricostruire l estremità degradata del puntone; in questo caso oltre all estremità della catena è stata ricostruita anche quella del puntone. Intervento eseguito, messa in opera della fascia metallica passiva. Prima della ricostruzione della muratura la testata viene trattata con prodotto preservante insetticida e fungicida, rivestita con foglio di sughero da 3cm e protetta con una cuffia di rame. Controllo di efficacia Ad interventi eseguiti è stata effettuata una prova di carico sulla capriata n 3, che è rappresentativa degli interventi fatti. La prova di carico è stata progettata per conferire alla capriata le massime sollecitazioni attese in esercizio. All atto della prova erano presenti tutti i carichi permanenti ad eccezione del manto di tegole, pertanto il carico dato in fase di prova doveva simulare il carico del manto di tegole ed il carico accidentale della neve. Tale carico è stato simulato accatastando sulle falde ed in corrispondenza della linea d asse della capriata da provare 3500 coppi. Ciascuna testata è stata strumentata con trasduttori di spostamento posizionati a cavallo della linea di separazione fra protesi e legno esistente in corrispondenza delle unioni con le barre. Carico messo in opera Testata strumentata. Tutti i risultati vanno letti tenendo presente che le stime teoriche difficilmente possono prevedere il comportamento in opera degli elementi strutturali, pertanto i confronti fra valori numerici devono necessariamente essere qualitativi e non quantitativi. Inoltre bisogna considerare la risoluzione degli strumenti utilizzati per le misure pari a 0,01mm che è paragonabile alle misure effettuate. Pag. 73

8 trasduttore deformazione massima raggiunta (mm) valore massimo atteso (mm) deformazione residua (mm) MA2 0,04 0,018 0,01 MA3 0,03 0,018 0,00 M2 0,02 0,016 0,01 A5 0,02 0,018 0,02 A8 0,01 0,018 0,00 Considerando la risoluzione degli strumenti utilizzati, molto vicina all entità delle misure effettuate, i risultati possono servire a denunciare un eventuale malfunzionamento del giunto (con notevole scorrimento), ma non a cogliere correttamente le deformazioni elastiche. Il valore misurato risulta in tutti i casi superiore al valore atteso; bisogna però considerare che il valore atteso è stato calcolato sulla base della deformabilità della catena lignea come continua, mentre i valori sono stati misurati a cavallo della giunzione dove c è da aspettarsi una deformazione maggiore. In tutti i casi, tranne A5, si riscontra che la deformazione aumenta all aumentare del carico e diminuisce fino ad annullarsi con la rimozione del carico. Nel caso di A5 tale tendenza non si riscontra ma non si riscontrano neanche deformazioni eccessive tali da far presumere uno scorrimento per rottura del giunto, pertanto il comportamento anomalo della misura è da imputarsi alla precisione della misura stessa e non ad un malfunzionamento del giunto. Durante e dopo la prova non sono state riscontrate rotture o malfunzionamenti nella protesi e nei loro elementi di unione, è stato quindi riscontrato il buon comportamento meccanico degli interventi. Analisi dei costi L intervento eseguito ha un costo desumibile dalla seguente analisi: U.M. PREZZO INCIDENZA PRODOTTO operaio specializzato h 17,34 24,00 416,16 operaio qualificato h 16,35 24,00 392,40 operaio comune h 15,07 24,00 361,68 legno lamellare di abete o larice m ,00 0, ,80 acciaio FeB44k 18mm kg 0,99 10,40 10,30 malta epossidica kg 9,55 5,20 49,66 trattamento fungicida m 2 8,62 2,00 17,24 materiali di consumo stima 50, ,00 totale 1.554,24 spese generali 15% e utile di impresa 10% 26,5% 411,87 TOTALE 1.966,11 L intervento originariamente previsto in fase di progetto (protesi di betoncino epossidico), adottando il prezzo indicato nel Prezziario Ufficiale della Regione Marche pari a 32,43 /dm 3, sarebbe costato 100dm 3 x32,43 /dm ,00, pertanto il risparmio è stato del 40% circa. Pag. 74

9 3.1.2 Trave di solaio L intervento è stato effettuato su uno dei solai di un edificio monumentale di età barocca. Le fasi diagnostiche sono state effettuate come descritto nel caso precedente, evidenziando varie situazioni come quella illustrata nelle foto seguenti. Esempio di degrado delle testate delle travi dovuto ad attacco da carie fungina. A sinistra è visibile un moncone di trave così come appare nel momento in cui si realizza lo scasso nella muratura, a destra la testata è già stata tagliata via dalla restante parte della trave. Verifiche interventi di consolidamento sulle testate Si prevede il consolidamento delle testate destre travi T2.1, T2.2, T2.3, T2.4 e T2.5. Ogni testata degradata sarà sostituita con una protesi di legno massiccio di recupero connessa alla restante parte mediante quattro barre di acciaio di tipo da C.A. fissate in apposite fresature sigillate con malta epossidica e richiuse con listello di legno. Si considera: Geometria: l i d i a h u α h h u l a sezione di calcolo b h b b b T Travi T2.1, T2.2, T2.3, T2.4: l luce netta 6,30m i interasse 0,75m a lunghezza di appoggio sulla muratura 0,25m b base sezione 0,16m h altezza sezi one 0,24m d i lunghezza zona degradata misurata da filo muro 0,10m α angolo di taglio 45 n numero barre 2+2 Pag. 75

10 d nom diametro nominale della barra 12 mm d diametro esterno della barra 13,2 mm d foro diametro del foro 16 mm Ares area resistente della barra 113mm 2 l a lunghezza di ancoraggio della barra 200mm b b distanza fra il centro della barra ed il bordo laterale della sezione 35 mm h b distanza fra il centro della barra ed il bordo inferiore/superiore della sezione 35mm Materiali Legno massiccio classe C16 secondo la EN338 ft,0,k 10 N/mm 2 resistenza caratteristica a trazione ρ k 310 kg/m 3 peso specifico caratteristico γm,l 1,3 coefficiente parziale di sicurezza sul legno k mod 0,80 coefficiente di modificazione delle resistenze (carichi di media durata) Acciaio tipo FeB 44k in barre ad aderenza migliorata f y 430 N/mm 2 tensione di snervamento dell acciaio γ m,s 1,15 coefficiente parziale di sicurezza per l acciaio Definizione delle azioni e delle sollecitazioni Il carico sulla singola trave considerando la verifica agli S.L.U. è: q i ( γ G + γ Q ) 0,75 ( 1,35 2, ,5 3,00) 5,52 kn / m G k Q k La reazione vincolare all appoggio è: q l 5,52 6,30 T 17,39 kn 2 2 L altezza utile è: hu h 2h b mm La lunghezza della zona di taglio è: h 240 l i 240 mm tanα tan 45 La distanza della sezione di calcolo dal filo muro è: d li 240 di cal Il taglio nella sezione di calcolo è: 220mm Tcal T q dcal 17,39 5,52 0,22 16, 18kN Il momento flettente nella zona di calcolo è: 2 2 a q dcal 0,25 5,52 0,22 Mcal T dcal + 17,39 0, Lo sforzo di trazione totale nelle barre dovuto al taglio è: N1 Tcal tanα 16,18 tan45 16,18kN Lo sforzo di compressione inclinato rispetto alla fibratura per il legno è: F Tcal cosα 16, 18 cos45 c 22,88kN Lo sforzo di trazione totale nelle barre inferiori dovuto al momento flettente è: M h 5,14 0,17 N2 cal 30,23kN u Lo sforzo di trazione agente in ciascuna barra inferiore è pertanto: N N1 N , 18 30, d Calcolo della resistenza ad estrazione 19,16 kn 3 2 5, 14kNm Il diametro equivalente è: Pag. 76

11 d dforo min 1,25 d equ 16 mm La resistenza caratteristica a taglio del legno in corrispondenza dell incollaggio è: 1,2 ρ 1, ,5 1,5 k 2 f v,k 3,76 N/ mm 0,2 0, dequ La resistenza all estrazione di calcolo per rottura dell incollaggio è: kmod π dequ la fv,k 0,8 π ,76 Fax,Rd, N 23,26 kn γ 1,3 m,l L area di influenza per ciascuna barra è: ef 2 ( 3d + b ) ( 3d + h ) ( 3 13,2 + 35) ( 3 13,2 + 35) 5565,16 mm A b b La resistenza ad estrazione di calcolo per rottura del legno per trazione è: k mod ft,0,k A ef 0, , 16 Fax,Rd, N 33,94 kn γ 1,3 m,l La resistenza di calcolo della barra per rottura del ferro è: fy A res Fax,Rd, N 42,25 kn γ 1, 15 m,s La resistenza ad estrazione di calcolo è pertanto: F F min F F ax,rd,1 ax,rd ax,rd,2 ax,rd,3 23,26 kn La verifica ad estrazione della barra è pertanto: N 19, 16 kn < F 23,26 kn verificato d ax, Rd Trave T2.5: l luce netta 6,30 m i interasse 0,75 m a lunghezza di appoggio sulla muratura 0,25 m b base sezione 0,17 m h altezza sezione 0,28 m d i lunghezza zona degradata misurata da filo muro 0,50 m α angolo di taglio 45 n numero barre 2+2 d nom diametro nominale della barra 16 mm d diametro esterno della barra 17,6 mm d foro diametro del foro 20 mm Ares area resistente della barra 201 mm 2 l a lunghezza di ancoraggio della barra 320 mm b b distanza fra il centro della barra ed il bordo laterale della sezione 45 mm h b distanza fra il centro della barra ed il bordo inferiore/superiore della sezione 45 mm Materiali come precedente Definizione delle azioni e delle sollecitazioni Il carico sulla singola trave considerando la verifica agli S.L.U. è: q i ( γ G + γ Q ) 0,75 ( 1,35 2, ,5 3,00) 5,52 kn / m G k Q k Pag. 77

12 La reazione vincolare all appoggio è: q l 5,52 6,30 T 17,39 kn 2 2 L altezza utile è: hu h 2hb La lunghezza della zona di taglio è: h 280 l i 280 mm tan α tan mm La distanza della sezione di calcolo dal filo muro è: d li 280 di cal Il taglio nella sezione di calcolo è: 640 mm Tcal T q dcal 17,39 5,52 0,64 Il momento flettente nella zona di calcolo è: 13,86 kn 2 2 a q dcal 0,25 5,52 0,64 Mcal T dcal + 17,39 0, ,45 knm Lo sforzo di trazione totale nelle barre dovuto al taglio è: N1 Tcal tan α 13,68 tan 45 13,86 kn Lo sforzo di compressione inclinato rispetto alla fibratura per il legno è: F Tcal cos α 13,86 cos 45 c 19,60 kn Lo sforzo di trazione totale nelle barre inferiori dovuto al momento flettente è: M h 11,45 0,19 cal N2 60,26 kn u Lo sforzo di trazione agente in ciascuna barra inferiore è pertanto: N1 N ,86 60, Nd Calcolo della resistenza ad estrazione 33,60 kn Il diametro equivalente è: d dforo min 1,25 d equ 20mm La resistenza caratteristica a taglio del legno in corrispondenza dell incollaggio è: 1,5 1,5 1,2 ρk 1, f v,k 3,60N / mm 0,2 0, dequ La resistenza all estrazione di calcolo per rottura dell incollaggio è: kmod π dequ la fv,k 0,8 π ,60 Fax,Rd, N 44,54kN γ 1,3 m,l L area di influenza per ciascuna barra è: 2 ( 3d + b ) ( 3d + h ) ( 3 17,6 + 45) ( 3 17,6 + 45) 9564,84mm A ef b b La resistenza ad estrazione di calcolo per rottura del legno per trazione è: kmod ft,0,k A ef 0, ,84 Fax,Rd, N 58,86kN γ 1,3 m,l Pag. 78

13 La resistenza di calcolo della barra per rottura del ferro è: fy Ares Fax,Rd, N 75,16kN γ 1,15 m,s La resistenza ad estrazione di calcolo è pertanto: F F min F F ax,rd,1 ax,rd ax,rd,2 ax,rd,3 44,54kN La verifica ad estrazione della barra è pertanto: N 33,60 kn < F 44,54 kn verificato d ax, Rd Descrizione della tecnica di intervento In quattro delle travi che costituiscono il solaio di una delle stanze che insistono sul cortile interno secondario dell edificio, in corrispondenza delle testate a contatto con uno dei muri portanti, si sono riscontrati diffusi attacchi da funghi e in qualche zona anche di insetti. Tutte le testate erano palesemente danneggiate. L intervento è consistito nelle seguenti fasi: puntellamento delle travi su cui intervenire e asportazione delle testate marce delle travi con taglio a 45 ; sostituzione della testata con una protesi in legno massiccio, anch essa puntellata e sagomata in opera in modo che le dimensioni esterne della trave originaria e della protesi coincidano; effettuazione degli scassi laterali di cucitura tra protesi e parte sana del legno per il posizionamento di barre in acciaio; parziale riempimento degli scassi con il prodotto epossidico tixotropico 9908/1 e posizionamento della barra nello scasso; posizionamento di un tassello in legno, che consente di nascondere lo scasso e rifinitura finale dell intervento con pialletto. Ampia documentazione visiva delle varie fasi dell intervento e dell edificio è già disponibile presso l assistenza tecnica Mapei, poiché durante la realizzazione era presente in cantiere una troupe di video-operatori. Nell intervento è stato utilizzato un adesivo epossidico tixotropico (Mapewood Paste 140), applicato a spatola. La confezione è in barattolo, che viene miscelato in cantiere. La tecnica individuata appare molto versatile (adattabile cioè alle diverse situazioni che possono verificarsi in cantiere) e relativamente semplice da realizzare. Si prevede nel futuro di realizzare diversi altri interventi, nei quali verranno provati i prodotti via via messi a punto nell ambito del presente progetto o da esso derivati. A sinistra sono visibili alcune delle travi da cui sono state rimosse le testate degradate. Sono anche evidenti i tagli a 45. A destra si può invece vedere uno dei momenti della lavorazione della protesi, che viene effettuata a piè d opera. Posizionamento e puntellamento della protesi in opera per le successive fasi di lavorazione. Sono visibili nella protesi gli scassi laterali per il posizionamento delle barre. Analisi dei costi Il costo dell intervento è risultato del 44% inferiore a quanto previsto dall impresa appaltatrice. Pag. 79

14 3.1.3 Incremento della capacità portante di solai L esempio descrive il consolidamento statico ed il miglioramento sismico dei solai di un complesso monumentale, interventi resi necessari perché, alla luce delle indagini diagnostiche ed in previsione del riuso della struttura con adeguamento agli standard di sicurezza attuali, la struttura non risulta idonea alla destinazione d uso prevista per degrado ed insufficienza delle sezioni delle travi. Analisi dello stato attuale ed interventi di miglioramento e consolidamento Verranno rinforzate le travi principali mediante apposizione di soletta di legno compensato collaborante con le travi stesse, tale intervento consente di aumentare notevolmente sia la portata del solaio che la rigidezza nei confronti dei carichi verticali; inoltre conferisce al solaio la rigidezza nel proprio piano che attualmente manca; tale intervento consente di ridurre a 5,06N/mm 2 la tensione massima nelle travi riportandola a valori ammissibili. Sono previsti inoltre ancoraggi perimetrali fra compensato e muratura mediante staffe metalliche come da progetto originario. Gli interventi di miglioramento sopra descritti non producono sostanziali modifiche nel comportamento strutturale globale della struttura perché non ne alterano lo schema statico preesistente ma si limitano a rinforzarla localmente, inoltre non producono sostanziale variazione di carico e non alterano la distribuzione delle masse e delle rigidezze. Le fasi diagnostiche sono state svolte come descritto in precedenza, e non hanno evidenziato situazioni di degrado. Pertanto, per le caratteristiche meccaniche del legno massiccio esistente in opera si può fare riferimento alla seguente tabella: specie e classe Giordano classe UNI EN 338 f m,k (N/mm 2 ) f t,0,k (N/mm 2 ) f c,0,k (N/mm 2 ) f v,k (N/mm 2 ) E 0,mean (N/mm 2 ) abete 1 a C , abete 2 a C , abete 3 a C , Per i materiali di nuovo apporto: Legno massiccio nuovo Elementi di legno massiccio nuovi di abete di classe C24 secondo UNI EN 338 ad umidità inferiore al 18%; caratteristiche meccaniche come sopra. Legno compensato Compensato di conifera CCX o migliore per esterni (incollaggio fenolico) di spessore 12,5mm 4 strati; caratteristiche meccaniche: f m,0,k f m,90,k f t,0,k f t,90,k f c,0,k f c,90,k f r (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) 16,2 12,6 8,1 7,4 12,2 10,8 0,9 E m,0,mean E m,90,mean E c,0,mean E c,90,mean (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) Acciaio: Acciaio per c.a., caratteristiche meccaniche ammissibili: Adesivi Tipo σ s,amm (N/mm 2 ) FeB44k 255 Adesivo epossidico a consistenza tissotropica Mapewood Paste 140 e adesivo epossidico fluido Mapewood Gel 120. Pag. 80

15 RELAZIONE DI CALCOLO Riferimenti di calcolo Si utilizza il metodo di calcolo agli stati limite secondo l Eurocodice 5. Analisi dei carichi carichi permanenti kn/m 2 pavimento 0,40 massetto per impianti cls leggero 6cm 0,06x9,00 0,54 compensato 25mm 0,025x4,10 0,10 tavolato 0,02x6,00 0,12 travicelli 0,065x0,065x6,00/0,37 0,07 travi 0,18x0,28x6,00/0,96 0,32 tramezzi e altri permanenti 0,55 totale permanenti Gk 2,10 carichi accidentali locali suscettibili di affollamento 3,00 totale accidentali Q k 3,00 Interventi di miglioramento con soletta di compensato Si riporta come esempio il calcolo eseguito sul solaio identificato con la lettera O nella relazione sullo stato di conservazione del luglio Verifiche allo state limite ultimo (SLU) Le verifiche saranno effettuate sulla trave T7 che è quella di minor modulo di resistenza, considerandola cautelativamente di 3 a categoria. i interasse 0,96m l luce netta 6,18m l c luce di calcolo l+0,20 6,38m Combinazione di carico a SLU lunga durata: q l (1,35xG k)xi (1,35x2,10)x0,96 2,71kN/m K mod 0,60 Combinazione di carico a SLU media durata: q m (1,35xG k+1,50xq k)xi (1,35x2,10+1,5x3,00)x0,96 7,03kN/m K mod 0,80 q q K l mod,lungadurata Essendo 0,385 < 0, 75 la verifica determinante è quella per carichi di media durata. m K mod,mediadurata γ m 1,3 M max q mxl c2/8 7,03x6,38 2 /8 35,8kNm T max q mxl c/2 7,03x6,38/2 22,4kN Pag. 81

16 Essendo i tre elementi incollati fra loro, si ritiene valido il principio di conservazione delle sezioni piane. L elemento 2 è formato da una serie di tasselli posti nello spazio lasciato fra i travicelli che formano l orditura secondaria, pertanto, essendo non continuo, collabora meccanicamente solo per trasferire gli sforzi di taglio fra la trave inferiore (elemento 3) ed il compensato superiore (elemento 1), ma non reagisce né a sforzo normale e neanche a momento flettente. elemento 1: compensato 960x25mm; E5.700N/mm 2 (essendo prevalente la sollecitazione di compressione) elemento 2: tassello legno 140x100mm ai quarti estremi, 100x100mm nella metà centrale; E0 (non reagente a flessione) elemento 3: trave di legno 180x250mm; E8.000N/mm 2 Si omogeneizza la sezione a legno. n E 1/E / ,713 h tot h 1+h 2+h mm Xg 190,4mm Jg 934e6mm 4 σ n,1,d 4,69N/mm 2 σ m,1,d 0,34N/mm 2 σ n,3,d -2,50N/mm 2 σ m,3,d 4,79N/mm 2 Verifica compensato per tensioni normali: f c,0,d f m,0,d σ f n,d c,0,d K mod f c,0,k 0,80 12,2 γm 1,3 K mod f m,0,k 0,80 16,2 γ m 1,3 σm,d 4,69 0, f 7,51 9,97 m,0, d Verifica trave per tensioni normali: f t,0,d f m,0,d σ f n,d t,0,d K mod f t,0,k 0,80 10,0 γm 1,3 K mod f m,0,k 0,80 16,0 γ m 1,3 σm,d 2,50 4, f 6, 15 9,85 m,0, d 7,51N/mm 2 9,97N/mm 2 0,66 < 1 verificato 6,15N/mm 2 9,85N/mm 2 0,89 < 1 verificato Verifica a taglio trave (sezione composta): Il taglio massimo si ha nella sezione baricentrica e cioè all altezza Xg, applicando la teoria di Jourawski si ha: τ d 0,44N/mm 2 f v,d K mod f v,k γ m τ d 0,44 < f v,d 1,11N/mm 2 0,80 1,8 1,3 1,11N/mm 2 verificato Verifica a taglio trave (sezione semplice): In corrispondenza degli appoggi a muro la trave risulta priva della soletta di compensato, pertanto si esegue la verifica considerando che il taglio venga portato dalla sola trave originaria, si ha: τ d f v,d 3 T 22,4 10 1,5 1,5 A K mod f v,k 0,80 1,8 γ 1,3 0,77N/mm 2 m τ d 0,77 < f v,d 1,11N/mm 2 1,11N/mm 2 verificato Pag. 82

17 Verifica a taglio incollaggio: Il taglio sulle due superfici di incollaggio è uguale al taglio costante all interno dell elemento 2, applicando la teoria di Jourawski si ha: τd 0,50N/mm 2 Come resistenza a taglio si considera quella del compensato in quanto inferiore a quella del legno f v,d K mod f v,k γ m τ d 0,50 < f v,d 0,55N/mm 2 0,80 0,90 1,3 0,55N/mm 2 verificato Essendo soddisfatta la verifica sopra riportata, risultano superflue le verifiche a taglio nell elemento 1 (in quanto di base superiore a quella utilizzata nella verifica) e nell elemento 2 (in quanto di resistenza a taglio superiore a quella utilizzata nella verifica). Verifiche di deformabilità allo stato limite di esercizio (SLE) Le verifiche sono effettuate sulla trave T7 che è quella di minor inerzia, considerandola cautelativamente di 3 a categoria. i interasse 0,96m l luce netta 6,18m lc luce di calcolo l+0,20 6,38m Carichi a SLE lunga durata: q l G kxi 2,10x0,96 2,01kN/m legno K def 0,60 compensato Kdef 0,80 Carichi a SLE media durata: qm Qkxi 3,00x0,96 2,88kN/m legno K def 0,25 compensato Kdef 0,25 Freccia finale per carichi di lunga durata (permanenti): Si ricalcolano le caratteristiche di inerzia della sezione considerando i moduli di elasticità ridotti: E compensato E legno , ,60 Xg 185,0mm Jg 876e6mm 4 u1,fin 9,90mm 3.167N/mm N/mm 2 Freccia iniziale per carichi di media durata (accidentali): Si utilizzano le caratteristiche di inerzia della sezione considerate per le verifiche a SLU: Xg 190,4mm Jg 934e6mm 4 u 2,inst 8,31mm Freccia finale per carichi di media durata (accidentali): Si ricalcolano le caratteristiche di inerzia della sezione considerando i moduli di elasticità ridotti: E compensato E legno , ,25 Xg 190,4mm Jg 934e6mm 4 u 2,fin 10,39mm 4.560N/mm N/mm 2 Pag. 83

18 Verifica freccia istantanea: u 2,inst 8,31 < l/ /300 20,6mm Verifica freccia finale: u net,fin u 1,fin + u 2,fin 9,90+10,39 20,3 < l/ /200 30,9mm verificato verificato Modalità di intervento L intervento è consistito nel rinforzo di un solaio mediante soletta di multistrato di conifera, collaborante con le travi principali, che consente di aumentare sia la portanza sia la rigidezza nei confronti dei carichi verticali e conferisce inoltre la rigidezza nel piano, senza tuttavia produrre particolari variazioni sulla distribuzione delle masse. Le travi sono state in un primo momento ripulite all estradosso tramite sabbiatura e su di esse, tra i travicelli, sono stati applicati dei tasselli in legno massiccio sistemati in maniera tale che l altezza corrisponda a quella dei travicelli stessi. I tasselli sono stati prima fissati alle travi con l utilizzo dell adesivo epossidico tixotropico MapeWood Paste 140 e poi livellati tramite piallatura in opera. Sui tasselli così sistemati sono state incollate, utilizzando sempre lo stesso adesivo, delle tavole in maniera tale da assicurare continuità visiva dal basso ed avere un battente in alto leggermente sporgente sul piano del tavolato preesistente. I pannelli in multistrato di conifera sono stati poi adagiati sulle tavole e resi solidali ad esse sempre con il MapeWood Paste 140. Per migliorare ulteriormente la rigidezza del sistema al primo strato di pannelli è stato sovrapposto un altro, con le linee di giunzione tra pannello e pannello sfalsate rispetto a quelle dello strato inferiore. In questo caso le due pannellature sono state rese solidali con l ausilio del prodotto epossidico fluido MapeWood Gel 120, applicato con una grossa spazzola e fissate con viti da legno per garantire un contatto ottimale ed uniforme tra i due strati. Irrigidimento mediante tasselli in legno (incollati mediante Mapewood Paste 140) e doppio tavolato in compensato (incollato mediante Mapewood Gel 120). Analisi dei costi Anche in questo caso, il costo dell intervento è risultato del 58% inferiore a quanto previsto dall impresa appaltatrice. Pag. 84

19 4 PROCESSI Il progetto ha portato, come obiettivo realizzativo di sintesi rispetto ai precedenti, alla definizione e formalizzazione di 2 processi produttivi per l attività di diagnosi e restauro delle strutture lignee antiche, validati dall esperienza nei cantieri pilota e compatibili con un sistema di gestione integrato della qualità e della sicurezza (secondo le norme volontarie UNI EN ISO 9001:2000, OHSAS ed UNI 10604) che supera le regole e le norme tecniche obbligatorie esistenti. Di seguito si riportano, nell ordine: le parti comuni dei processi (normativa di riferimento, definizioni) le parti specifiche dei due processi (processo di valutazione preventiva, processo di progettazione dell intervento 4.1 Normativa di riferimento e definizioni I seguenti documenti sono, allo stato dell arte, quelli ritenuti più direttamente correlabili all attività in questione, nella generalità dei casi. Molti altri documenti possono essere impiegati per casi particolari, e/o sono richiamati da quelli di seguito citati. NB: fornire un elenco esaustivo è comunque non coerente con lo scopo della presente relazione. Legge n (05/11/1971) Norme per la disciplina delle opere in conglomerato cementizio armato, normale e precompresso ed a struttura metallica D.M. LL.PP. 09/01/1996 Norme tecniche per il calcolo, l esecuzione ed il collaudo delle strutture in cemento armato, normale e precompresso e per le strutture metalliche (G.U. 05/02/1996, n.29 Suppl. Ord. n.19) D.M. LL.PP. 16/01/1996 Norme tecniche relative ai «Criteri generali per la verifica di sicurezza delle costruzioni e dei carichi e sovraccarichi» (G.U. 05/02/1996, n.29 Suppl. Ord. n.19) C. Min. LL.PP. Istruzioni per l applicazione delle «Norme tecniche relative ai criteri generali per la verifica di n.156aa.gg./stc 04/07/1996 sicurezza delle costruzioni e dei carichi e sovraccarichi» di cui al D.M. LL.PP. 16/01/1996 D. Leg.vo n /10/1999 Testo unico delle disposizioni legislative in materia di beni culturali e ambientali, a norma dell'articolo 1 della legge 8 ottobre 1997, n. 352 (Suppl. Ord. alla G.U. 27/12/1999, n. 302) L. n /10/1997 Disposizioni sui beni culturali (Suppl. Ord. alla G.U. 17/10/1997, n. 243) UNI EN Durabilità del legno e dei prodotti a base di legno. Definizione delle classi di rischio di attacco biologico. Generalità. UNI EN Durabilità del legno e dei prodotti a base di legno. Definizione delle classi di rischio di attacco biologico. Applicazione al legno massiccio. UNI ENV 1991 Eurocodice 1. Basi di calcolo ed azioni sulle strutture. Parte 1: Basi di calcolo UNI ENV Eurocodice 1. Basi di calcolo ed azioni sulle strutture. Parte 2-1: Azioni sulle strutture - Massa volumica, pesi propri e carichi imposti UNI ENV Eurocodice 1. Basi di calcolo ed azioni sulle strutture. Parte 2-2: Azioni sulle strutture - Azioni sulle strutture esposte al fuoco UNI ENV Eurocodice 1. Basi di calcolo ed azioni sulle strutture. Parte 2-3: Azioni sulle strutture - Carichi da neve UNI ENV Eurocodice 1. Basi di calcolo ed azioni sulle strutture. Parte 2-4: Azioni sulle strutture - Azioni del vento UNI ENV Eurocodice 5. Progettazione delle strutture di legno. Parte 1-1: Regole generali e regole per gli edifici UNI ENV Eurocodice 5. Progettazione di strutture di legno. Parte 1-2: Regole generali - Progettazione strutturale contro l'incendio UNI ENV Eurocodice 5 - Progettazione delle strutture di legno - Parte 2: Ponti UNI ENV Eurocodice 8. Indicazioni progettuali per la resistenza sismica delle s trutture. Parte 1-1: Regole generali - Azioni sismiche e requisiti generali per le strutture UNI ENV Eurocodice 8. Indicazioni progettuali per la resistenza sismica delle strutture. Parte 1-2: Regole generali per gli edifici UNI ENV Eurocodice 8. Indicazioni progettuali per la resistenza sismica delle strutture. Parte 1-3: Regole generali - Regole specifiche per i diversi materiali ed elementi UNI ENV Eurocodice 8 - Indicazioni progettuali per la resistenza sismica delle strutture - Parte 1-4: Regole generali - Rafforzamento e riparazione degli edifici Le seguenti definizioni sono utili per descrivere in maniera univoca i concetti richiamati nei processi produttivi di restauro delle strutture lignee: Alterazione: qualsiasi tipo di modificazione dell'elemento strutturale ligneo (biologica, meccanica, chimica) intervenuta dopo la sua messa in opera. Alcuni esempi tipici: attacco di insetti (alterazione biologica, o degradamento); fratture da sovraccarico (alterazione meccanica, o danno); modificazioni del legno dovute ai prodotti della corrosione degli elementi di collegamento (alterazione chimica). Pag. 85

20 Classificazione secondo la resistenza: processo attraverso il quale un singolo elemento strutturale ligneo in opera può essere classificato in categorie associate a profili resistenti. Conservazione: insieme di operazioni sistematiche atte a garantire l'effettiva consistenza fisica e la funzionalità del bene sul quale sono applicate, finalizzate altresì ad eliminare cause ed effetti del decadimento materico e strutturale. Danno: alterazione dovuta a cause meccaniche. Si considera danno ogni decadimento delle prestazioni meccaniche del singolo elemento strutturale ligneo o dell'unità strutturale che lo contiene. Il danno può essere provocato, ad esempio, da fratture significative o interruzione della fibratura o da azioni esterne anche eccezionali (ad esempio il sisma). Degradamento (sinonimo: degrado): alterazione dovuta a cause biologiche. Difetto: caratteristica naturale originaria del legno, non necessariamente anomala, che può influire negativamente sulla resistenza, sulla rigidezza e/o sul comportamento strutturale in genere (ad es. l efficienza delle unioni) dell'elemento strutturale ligneo in opera. Elemento strutturale: sottoinsieme di una struttura lignea, costituito da un singolo pezzo (ad es. una trave od un puntone di capriata). Idoneità statica: capacità dell'elemento o dell'unità strutturale a sopportare carichi con adeguato margine di sicurezza. Impatto: influenza dell esecuzione di una prova non distruttiva su funzioni dell elemento strutturale ligneo diverse da quella portante (ad es. estetica, storica, documentale). Intervento: esecuzione delle operazioni previste in sede di progetto e finalizzate alla conservazione, manutenzione e/o restauro. Manutenzione: insieme degli atti, ricorrenti e sistematici, volti a mantenere il bene di interesse culturale nelle piene condizioni di integrità fisica e di funzionalità; tali atti si possono suddividere in manutenzione straordinaria ed ordinaria. Manutenzione ordinaria: gli interventi che rivestono carattere di periodicità e devono essere quindi decisi sulla base delle risultanze di ispezioni periodiche o sulla base del programma stabilito i n occasione dell'intervento straordinario. Manutenzione straordinaria: gli interventi che consistono in un insieme di opere diversificate che richiedono, preliminarmente alla stesura del progetto, una serie di indagini sullo stato di conservazione del manufatto nel suo complesso. Miglioramento: aumento delle prestazioni meccaniche dell'elemento o dell'unità strutturale, compatibilmente con la sua natura di bene culturale. Profilo resistente: insieme delle principali proprietà fisico-meccaniche, espresse in termini di tensioni ammissibili oppure di valori caratteristici, attribuibili a un elemento strutturale ligneo. Progettazione di un intervento: operazioni volte a proporre ed a definire compiutamente l'intervento stesso, usualmente distinte in studio preliminare, progetto definitivo, progetto esecutivo. Prova non distruttiva: prova la cui esecuzione in opera non influenza la funzione portante dell elemento; fra le prove non distruttive di uso comune nella classificazione degli elementi strutturali lignei in opera sono presenti prove aventi maggiore o minore impatto sull elemento stesso. Tra le tecniche per prove non distruttive riconosciute utili ai fini della classificazione degli elementi strutturali lignei in opera si possono ricordare: la resistenza alla foratura mediante trapano strumentato, la resistenza alla penetrazione dinamica (prove di impatto) o statica (prove di impronta), la resistenza all'estrazione della vite. Restauro: intervento diretto sul manufatto volto a mantenerne l'integrità materiale e ad assicurare la conservazione e la protezione dei suoi valori culturali. Nel caso di beni immobili situati nelle zone dichiarate a rischio sismico in base alla normativa vigente il restauro comprende l'intervento di miglioramento strutturale (Testo unico, D. Leg.vo n /10/1999). Riabilitazione: restituzione delle prestazioni meccaniche originali (riferite alla fase costruttiva di riferimento determinata mediante l'analisi storica di cui al punto 4.1) dell'elemento o dell'unità strutturale. Rilievo critico: rilievo che, attraverso una lettura stratigrafica delle tracce materiali e dei caratteri delle superfici architettoniche, descrive e rappresenta le formulazioni interpretative delle varie fasi costruttive e/o di trasformazione dell'edificio (si veda il punto 5.5.2). Rilievo meccanico: procedura tesa a ricostruire la storia meccanica della fabbrica dalla sua edificazione sino al momento dell'osservazione. Sezione critica: la sezione trasversale dell elemento strutturale ligneo rappresentativa di una zona critica. Alla sezione critica verranno attribuiti tutti i difetti, anomalie, alterazioni, danni e altre caratteristiche influenti sulla resistenza, riscontrati nella zona critica. Sezione efficace: la sezione trasversale dell elemento strutturale ligneo (difetti inclusi) che si determina sottraendo dalla sezione critica tutte le aree costituite da legno degradato e/o danneggiato. Sistema integrato di restauro: la somma di metodi di calcolo, specifiche dei prodotti, procedure operative di cantiere, metodi di controllo qualità in un unico processo (come definito nella UNI EN ISO 9001:2000). Stato di conservazione: stato dell elemento strutturale ligneo in relazione alle alterazioni presenti. Struttura lignea: la somma di più elementi strutturali (portanti) costituiti prevalentemente da materiali a base di legno. Se un maggiore livello di dettaglio è necessario, i sottoinsiemi della struttura lignea possono essere denominati unità strutturale (ad es. una capriata) ed elemento strutturale (ad es. una trave di solaio od un puntone di capriata). Unità strutturale: sottoinsieme di una struttura lignea, costituito da uno o più elementi strutturali. Valori culturali: le tecniche costruttive, le tecnologie di lavorazione nonché l'assetto strutturale delle singole membrature e/o del complesso strutturale. Valutazione preventiva : insieme delle operazioni preliminari da eseguirsi prima di qualsiasi intervento sul manufatto. Pag. 86

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