SICUREZZA E CONSERVAZIONE

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1 COMPORTAMENTO SISMICO DI ALCUNE CHIESE DELL AQUILA IN SEGUITO AL SISMA DELL APRILE 2009 G. LUCIBELLO 1, G. BRANDONISIO 1, E. MELE 1, A. DE LUCA 1 1 Università degli studi di Napoli Federico II, Dipartimento di Ingegneria Strutturale SOMMARIO In questo articolo è analizzata, sulla base delle esperienze condotte nel campo degli edifici monumentali dal gruppo di ricerca negli ultimi decenni, la risposta sismica di quattro edifici a pianta basilicale in seguito al terremoto che ha colpito L Aquila nell Aprile Gli edifici studiati sono: la chiesa di S. Giusta, la Basilica di S. Maria di Collemaggio, la chiesa di S. Silvestro e la chiesa di S. Pietro di Coppito. Le analisi sono state condotte impiegando una procedura a due passi sviluppata dagli autori; il primo step consiste nell analisi di modelli tridimensionali in campo elastico lineare al fine di definire per ciascuna struttura le proprietà dinamiche e di capire come i carichi verticali e quelli sismici orizzontali vanno a ripartirsi tra i singoli macroelementi nei quali può idealmente essere scomposto l organismo strutturale. Nel secondo step sono stati analizzati in campo non lineare i modelli bidimensionali dei vari macroelementi al fine di ottenere per ciascuno di essi la capacità ultima in termini di tagliante alla base da confrontare successivamente con le sollecitazioni ottenute dalla precedente fase (con riferimento agli spettri di risposta del Mainshock del 06/04/09) determinando così il livello di sicurezza e confrontando quest ultimo con i danni realmente rilevati. ABSTRACT On the basis of previous studies on the basilica type churches structural behaviour carried out by the authors in the last decades, in this paper is analyzed the seismic response of four such a buildings after the L Aquila April 2009 earthquake. The buildings studied in this paper are: S. Giusta Church, S. Maria di Collemaggio Basilica, S. Silvestro Church and S. Pietro di Coppito Church. The analysis are carried out employing a two step procedure developed by the authors; the first step concerns with analyzing three-dimensional linear elastic models of the churches to define their dynamic properties and to understand the seismic and the vertical loads sharing between the macro-elements in which the structures can be divided. In the second step, bi-dimensional non linear models of the macro-elements are analyzed with the aim to obtain for each of them the ultimate base shear that will be compared with that calculated in the previous step (referring to the L Aquila earthquake response spectrum) to determine the safety level also comparing this results with the actual damage experienced by the structures after the quake. 2. I CASI DI STUDIO: DESCRIZIONE E DANNI RIPORTATI IN SEGUITO AL SISMA 2.1 Chiesa di S. Giusta La chiesa di S. Giusta risale ai primi decenni del XIV secolo e fu edificata dai cittadini del borgo di Bazzano sui resti di alcune murature preesistenti. Si tratta di un edificio a pianta basilicale (Figura 1.a) che originariamente presentava tre navate dalle quali si accedeva al transetto ed alla zona presbiteriale che si conclude con un abside caratterizzata da tre cappelle a pianta poligonale; nei secoli successivi le navate laterali sono state trasformate in cappelle murando gli spazi tra le colonne della navata principale e le pareti perimetrali.

2 Tutte le strutture portanti verticali sono realizzate in muratura a sacco con paramenti in filari di piccoli conci di pietra calcarea sbozzata (apparecchio aquilano) e riempimento in pietra calcarea e calce idraulica; fanno eccezione solo alcune parti strutturali, come ad esempio i pilastri dell arco trionfale e l arco trionfale stesso, che sono realizzati in pietra da taglio. Le coperture sono interamente realizzate in legno e, trattandosi di capriate, risultano non spingenti. I danni riportati in seguito al sisma sono stati piuttosto ingenti e consistono in crolli parziali dovuti principalmente ai meccanismi di ribaltamento che si sono attivati nell abside e nella parete Sud del transetto (Figura 1.b); sono stati inoltre rilevati danni localizzati (schiacciamento alla base e scompaginamento della muratura in sommità) nei pilastri dell arco trionfale sollecitati a pressoflessione ipotizzando un meccanismo di risposta longitudinale dell aula a telaio. Infine, probabilmente facilitato dal fatto che i muri delle cappelle, come anticipato, sono stati realizzati successivamente alle parti originarie della struttura, si è avuto un completo distacco delle cappelle laterali dalle pareti della navata centrale. a) b) Figura 1. S. Giusta: a)pianta, b)danni al transetto 2.2 Chiesa di S. Maria di Collemaggio Anch essa risale al XIV secolo e, in seguito allo smantellamento avvenuto negli anni 50 delle decorazioni aggiunte in epoca barocca, si presenta agli occhi del visitatore col suo aspetto originario; in particolare l edificio presenta una pianta basilicale (Figura. 2) a tre navate dalle quali si accede al transetto (coperto da volte a crociera e a cupola) ed alla zona absidale anch essa coperta da volte a crociera. Anche nel caso di S. Maria di Collemaggio si nota come le strutture portanti siano realizzate per la maggior parte in muratura a sacco caratterizzata dal tipico apparecchio aquilano ad eccezione di quegli elementi strutturali più sollecitati come archi trionfali e pilastri che vengono realizzati in pietra da taglio. Le coperture sono realizzate con capriate lignee per quel che riguarda le navate; le parti rimanenti, come già anticipato, sono coperte con volte in muratura. I danni riportati in seguito al sisma si concentrano nella zona presbiteriale; in particolare si è avuto il crollo totale del transetto e parziale dell abside (Figura. 3.a-b). Anche le strutture della navata hanno subito danni che hanno interessato i pilastri in muratura che manifestano lesioni da schiacciamento dovute alla risposta longitudinale dell aula ed alla componente sussultoria non trascurabile del sisma.

3 Figura 2. S. Maria di Collemaggio: Pianta a) b) Figura 3. S. Maria di Collemaggio: a)crollo del transetto e danni all abside, b)vista aerea dei danni 2.3 Chiesa di S. Pietro di Coppito: descrizione e danni La chiesa risale alla fine del XIV secolo e, fra le quattro prese in considerazione, risulta essere quella caratterizzata dalla schema planimetrico più atipico; si tratta infatti di una chiesa a pianta asimmetrica (Figura 4.a) con una navata principale alla quale si affianca una piccola navata laterale che sfocia in un transetto molto ampio dal quale si accede all abside che è costituita da cappelle a pianta poligonale alle quali si addossa la mole di una delle rare torri campanarie presenti nella città de L Aquila. Le strutture in elevazione sono anche in questo caso realizzate in muratura a sacco e pietra da taglio mentre le coperture sono ovunque in capriate in legno ad eccezione delle cappelle dell abside che sono coperte con volte a crociera in muratura. I danni di maggior rilievo consistono essenzialmente nell attivazione di un meccanismo di ribaltamento della facciata (Figura 4.b) e nel crollo parziale della torre campanaria che ha provocato conseguentemente il crollo delle coperture dell abside.

4 a) b) Figura 4. S. Pietro di Coppito: a)pianta, b)danni alla facciata 2.3 Chiesa di S. Silvestro Risulta coeva agli altri casi di studio e si presenta come un organismo architettonico molto semplice sia planimetricamente (Figura 5) che per quel che riguarda l articolazione dei volumi; si tratta di una chiesa a tre navate dalle quali si accede direttamente all abside caratterizzata da cappelle a pianta poligonale(come in S. Giusta e S. Pietro di Coppito). Le strutture portanti verticali sono realizzate, come negli altri casi, in muratura a sacco o pietra da taglio, mentre le coperture consistono in capriate lignee sulle navate ed in volte a crociera sull abside. La chiesa ha riportato, paragonata alle altre prese in considerazione, danni molto contenuti; principalmente si tratta di danni alla torre campanaria (Figura 6.a) che presenta lesioni causate dalla flessione per effetto delle forze sismiche ed a causa di meccanismi di rocking è possibile inoltre notare schiacciamenti localizzati della muratura causati da concentrazioni di carico. Anche la facciata (Figura 6.b) ha riportato limitati danni provocati dall attivazione di meccanismi di ribaltamento (che non hanno portato però al collasso) e dall interazione tra la struttura della facciata stessa e quella della torre campanaria. Figura 5. S. Silvestro: pianta

5 3. LA PROCEDURA A DUE PASSI a) b) Figura 6. S. Silvestro: a)danni alla torre campanaria, b)danni alla facciata 3.1 Analisi Lineare I modelli dei quattro casi di studio, realizzati con elementi shell, sono stati analizzati in campo elastico lineare, impiegando il software FEM SAP E stata condotta un analisi dinamica modale attraverso la quale sono state caratterizzate dinamicamente le strutture e, sulla base dei risultati di quest ultima è stata calcolata la richiesta sismica impiegando gli spettri di risposta forniti dalle NTC 08 e gli spettri relativi alle registrazioni del Mainshock del 06 Aprile Dall analisi modale si nota che, non essendo le coperture lignee dotate di un adeguata rigidezza nel proprio piano, esiste una forte dispersione delle forme modali, ossia mancano modi predominanti ai quali è associata una grande massa partecipante; quanto osservato giustifica, come già detto precedentemente, la scelta di analizzare le strutture scomponendole in macroelementi e cioè in parti dotate l una rispetto alle altre di una certa autonomia da un punto di vista del comportamento strutturale. I periodi di oscillazione di tutte le strutture considerate si concentrano nella maggior parte dei casi nel range s tranne in rari casi nei quali si arriva anche a 3s a causa della presenza di elementi molto deformabili fuori piano caratterizzati da masse non trascurabili. Dall applicazione degli spettri di risposta (Figura 7) è emersa una notevole differenza tra i taglianti alla base indotti dallo spettro NTC 08 e da quello reale (che sarà indicato come 06/04/09) che risulta sensibilmente più gravoso.

6 Figura 7. Confronto spettri di risposta in termini di accelerazione NTC 08 vs registrazioni Mainshock Figura 7. Confronto spettri di risposta in termini di accelerazione NTC 08 vs registrazioni Mainshock Figura 8. Confronto taglianti alla base NTC 08 vs Spettri Mainshock lungo le due direzioni principali Figura 8. Confronto taglianti alla base NTC 08 vs Spettri Mainshock lungo le due direzioni principali Figura 8. Confronto taglianti alla base NTC 08 vs Spettri Mainshock lungo le due direzioni principali Dalla ripartizione dei taglianti tra i vari macroelementi (Figura 8) è stato possibile notare, o meglio, avere conferma, di come i Dalla ripartizione dei taglianti tra vari macroelementi (Figura 8) stato possibile notare, meglio, avere conferma, di come Dalla macroelementi ripartizione sollecitati dei taglianti fuori tra piano i vari macroelementi diano un contributo (Figura assolutamente 8) è stato possibile non notare, trascurabile o meglio, alla avere resistenza conferma, della di struttura macroelementi sollecitati fuori piano diano un contributo assolutamente non trascurabile alla resistenza della struttura come i macroelementi sollecitata da azioni sollecitati orizzontali, fuori in piano particolare diano nel un caso contributo queste assolutamente siano perpendicolari non trascurabile all asse della alla navata. sollecitata da azioni orizzontali, in particolare nel caso queste siano perpendicolari all asse della navata. resistenza della struttura sollecitata da azioni orizzontali, in particolare nel caso queste siano perpendicolari all asse della navata. 3.2 Analisi Statica Non Lineare L analisi 3.2 Analisi Statica Non Lineare statica 3.2 Analisi non lineare Statica è Non stata Lineare condotta impiegando il software FEM ABAQUS 6.7 modellando ciascun macroelemento (Figura L analisi statica non lineare è stata condotta impiegando il software FEM ABAQUS 6.7 modellando ciascun macroelemento L analisi 11) mediante statica elementi non lineare shell è stata ai condotta quali sono impiegando state assegnate il le software FEM proprietà meccaniche ABAQUS della 6.7 modellando muratura ciascun adottando macroelemento un modello (Figura 11) mediante elementi shell ai quali sono state assegnate le proprietà meccaniche muratura adottando un (Figura di 11) materiale a modello di materiale mediante fessurazione a elementi diffusa. fessurazione shell diffusa. ai quali sono state assegnate le proprietà meccaniche della muratura adottando un Per modello ciascun elemento, Per ciascun di materiale caricato, elemento, a fessurazione oltre che caricato, oltre diffusa. col peso proprio, con una distribuzione di forze orizzontali proporzionale alle masse, che col peso proprio, con una distribuzione di forze orizzontali proporzionale alle è masse, Per ciascun stata ottenuta è stata elemento, una ottenuta caricato, curva di una curva oltre capacità (Figura di capacità che col 9) (Figura peso proprio, la cui massima 9) la cui con ordinata massima una distribuzione corrisponde appunto ordinata corrisponde di forze alla appunto orizzontali capacità alla proporzionale portante capacità portante alle a masse, carichi orizzontali a carichi è del orizzontali stata ottenuta macroelemento. del macroelemento. una curva di capacità (Figura 9) la cui massima ordinata corrisponde appunto alla capacità portante I a valori della I valori carichi capacità della orizzontali sono capacità del stati sono macroelemento. successivamente confrontati con la richiesta sismica elastica e con la richiesta sismica ridotta stati successivamente confrontati con la richiesta sismica elastica e con la richiesta sismica I mediante ridotta valori un mediante della capacità coefficiente di un coefficiente sono stati struttura di successivamente minimo pari a struttura minimo pari confrontati 2,8. a 2,8. con la richiesta sismica elastica e con la richiesta sismica Nel grafico Nel ridotta di grafico mediante Figura 12 Figura un coefficiente è mostrato, per 12 è mostrato, di struttura ciascun macroelemento, per ciascun minimo pari il macroelemento, a 2,8. confronto tra la capacità portante (determinata dalle analisi il confronto tra la capacità portante (determinata dalle Nel non analisi grafico lineari) e non lineari) di Figura la richiesta e la 12 sismica richiesta è mostrato, elastica sismica per (ottenuta elastica ciascun dalle (ottenuta macroelemento, analisi FEM dalle analisi il confronto in campo FEM in tra lineare campo la capacità con lineare portante riferimento allo con riferimento (determinata spettro allo spettro dalle delle analisi NTC 08 e delle NTC 08 non lineari) del mainshock). Al e del mainshock). e la richiesta fine Al sismica di consentire un fine di consentire elastica (ottenuta confronto più un confronto dalle rapido più analisi tra rapido FEM i tra in singoli macroelementi,per i singoli campo ciascuno macroelementi,per lineare con riferimento di ciascuno allo essi, di spettro i valori essi, i delle della valorintc 08 capacità e della capacità e del mainshock). della richiesta sismica e della richiesta Al fine sono sismica di consentire normalizzati rispetto sono normalizzati un confronto al rispetto più rapido taglio ultimo al taglio tra i (capacità) ultimo singoli del (capacità) macroelementi,per macroelemento stesso; del macroelemento ciascuno di stesso; essi, i

7 di conseguenza, alla linea tratteggiata di ordinata 1 corrisponde l attingimento dell intera capacità portante del macroelemento. Figura 9. Curva di capacità ottenuta dalle analisi non lineari per il macroelemento T1 della chiesa di S. Giusta Figura 10. Stato tensionale in condizioni ultime nel macroelemento T1 Si nota come, tranne rare eccezioni, quasi tutti i macroelementi non riescano a sopportare le sollecitazioni derivanti da uno spettro elastico, e cioè senza attingere alle proprie risorse di resistenza plastiche. Nel grafico di Figura 13, analogamente a quanto descritto per la Figura 12, è mostrato il confronto tra capacità e richiesta sismica ridotta adottando il coefficiente di struttura 2.8; è possibile osservare come un buon numero di macroelementi sia dotato di capacità tali da sopportare la richiesta sismica ultima. Questo risultato è da considerarsi, alla luce dei danni rilevati,

8 alquanto ottimistico, siccome, in vari casi, macroelementi che secondo i risultati delle analisi numeriche avrebbero dovuto sopportare le sollecitazioni sismiche, sono invece andati incontro, o molto vicini, al collasso. Figura 11. Confronto taglianti alla base NTC 08 vs Spettri Mainshock lungo le due direzioni principali S. GIUSTA S. MARIA di COLL. S. GIUSTA S. MARIA di COLL. S. PIETRO di COPPITO S. SILVESTRO S. PIETRO di COPPITO S. SILVESTRO Figura 12. Confronto taglianti alla base NTC 08 vs Spettri Mainshock lungo le due direzioni principali Figura 12. Confronto taglianti alla base NTC 08 vs Spettri Mainshock lungo le due direzioni principali

9 I risultati ottenuti sono però da considerare tenendo conto delle approssimazioni fatte soprattutto in merito alla caratterizzazione dei materiali per i quali mancano dati bibliografici o sperimentali; inoltre nel calcolo della capacità dei singoli macroelementi non si è tenuto conto delle sollecitazioni fuori piano che possono invece in molti casi risultare critiche ai fini della resistenza della struttura. S. GIUSTA S. MARIA di COLL. S. PIETRO di COPPITO S. SILVESTRO Figura 13. Confronto taglianti alla base NTC 08 vs Spettri Mainshock lungo le due direzioni principali 4. CONCLUSIONI Confrontando i risultati ottenuti dalle analisi si nota come questi non sempre corrispondano a quanto verificatosi nella realtà in occasione del sisma del 06/04/09; certamente, come già anticipato, questo è dovuto alle inevitabili approssimazioni fatte sia nella modellazione geometrica sia nell assegnazione delle caratteristiche ad un materiale così complesso come è la muratura(in particolare quella a sacco). Tuttavia, nonostante le inevitabili incertezze presenti nella modellazione, emerge una sostanziale affidabilità della procedura a due passi che risulta un metodo valido per l analisi di edifici a pianta basilicale e che permette, quindi, di ottenere una previsione attendibile del comportamento sismico e del livello di sicurezza. Il secondo punto sul quale è opportuno porre attenzione riguarda le reali capacità dissipative degli edifici di tipo monumentale per i quali, adottando coefficienti di struttura forniti dalle norme, e probabilmente calibrati per edifici semplici, si vanno a sovrastimare le reali capacità dissipative.

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