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2 COMUNE DI SAN FELICE SUL PANARO Progetto strutturale per il ripristino dell agibilità della Chiesa della Natività di Maria Santissima danneggiata dal sisma del Maggio 2012 Committente: Curia Arcivescovile Modena - Nonantola PROGETTO STRUTTURALE ESECUTIVO INDICE INDICE 1 RELAZIONE TECNICA ILLUSTRATIVA 2 1. Oggetto 2 2. Premessa 2 3. Descrizione dello stato di fatto e analisi dei danni 2 4. Descrizione degli interventi strutturali di riparazione danni e miglioramento sismico 7 1

3 COMUNE DI SAN FELICE SUL PANARO Progetto strutturale per il ripristino dell agibilità della Chiesa della Natività di Maria Santissima danneggiata dal sisma del Maggio 2012 Committente: Curia Arcivescovile Modena - Nonantola PROGETTO STRUTTURALE ESECUTIVO RELAZIONE TECNICA ILLUSTRATIVA 1. Oggetto La presente relazione è relativa al progetto strutturale di rafforzamento e miglioramento sismico per il ripristino dell agibilità della Chiesa della Natività di Maria Santissima danneggiata a seguito degli eventi sismici del 20 e 29 Maggio L edificio è la chiesa parrocchiale di Rivara nel comune di San Felice sul Panaro in provincia di Modena. 2. Premessa L analisi sistematica dei danni subiti e la successiva valutazione di sicurezza statica e sismica del bene monumentale sono state effettuate seguendo le indicazioni fornite dal DPCM 9/2/2011 (Direttiva del Presidente del Consiglio dei Ministri per la valutazione e riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale) al par : Chiese, luoghi di culto ed altre strutture con grandi aule, senza orizzontamenti intermedi. L intervento sull edificio esistente rientra tra gli interventi di miglioramento secondo quanto previsto al par del D.M.2008 e al par.c8.4.2 della Circolare esplicativa La scelta delle soluzioni adottate è volta al mantenimento e la conservazione dei caratteri fondamentali dell edificio ed è stata effettuata sulla base dei criteri per gli interventi di consolidamento degli edifici in muratura riportati nel paragrafo C8.A.5 della appendice al Cap.8. La scelta delle tecniche d intervento è stata valutata dando la preferenza a quelle meno invasive e maggiormente compatibili con i criteri della conservazione, tenendo conto dei requisiti di sicurezza e durabilità come suggerito ai paragrafi della DPCM 9/2/ Descrizione dello stato di fatto e analisi dei danni a seguito degli eventi sismici L impianto odierno della Chiesa risale ai primi anni del XVII secolo ed è frutto di successive revisioni di un organismo originario di stampo gesuita più piccolo e probabilmente orientato anche diversamente. E costituito da un'unica grande navata, su cui si aprono lungo i lati maggiori le cappele laterali di altezza minore. L aula liturgica si conclude a nord con il volume più piccolo del presbiterio che ha un ingombro minore sia in pianta che in elevato rispetto alla navata. 2

4 Le murature del fabbricato sono in mattoni pieni fatti a mano e malta di calce di qualità estremamente scadente come confermato dalle indagini e prove sui materiali effettuate nel settembre 2013 da tecnici specializzati e il cui rapporto di prova viene allegato agli elaborati di progetto. La muratura è molto spesso formata da paramenti scollegati tra loro e ciò risulta evidente nelle facciate laterali dove il quadro fessurativo esterno non corrisponde con quello individuato all interno della Chiesa. La mancanza di ammorsamento tra pareti ortogonali è un altro aspetto significativo che si è evidenziato a seguito degli eventi sismici del maggio Il ribaltamento della facciata principale verso l esterno, con il crollo del timpano superiore, presenta infatti l andamento delle lesioni in corrispondenza delle angolate pressochè verticale, il che testimonia la carenza/mancanza di un adeguato collegamento tra le murature. Oltre a questa carenza costruttiva delle murature, il crollo totale del timpano di facciata è avvenuto anche per la totale assenza di un efficace collegamento tra la struttura di copertura e il timpano stesso. Il solaio di copertura della navata è stato interessato da un intervento di completa sostituzione tra il 1957 e il 1958, che lo ha trasformato da una struttura in capriate lignee ormai ammalorate in una nuova copertura in laterocemento, formata da travi tipo varese incernierate da una trave di colmo gettata in opera, due cordoli alla base e catene trasversali in corrispondenza di ogni capriata. Tale intervento, invasivo dal punto di vista sia strutturale che di conservazione del bene storico, ha contribuito però alla chiesa nel rispondere meglio all azione sismica subita, ma al tempo stesso non ha garantito la stabilità della facciata mancando completamente una cordolatura sommitale continua e la connessione degli elementi di copertura alla muratura del timpano. 3

5 La mancanza di un cordolo di collegamento sommitale delle murature è evidente anche in corrispondenza dell abside, dove si è riscontrato un leggero ribaltamento della facciata laterale libera evidenziato dal distacco del cassettonato ottocentesco visibile dall interno. La copertura dell abside è in struttura lignea con capriate principali che dovranno essere meglio ancorate e vincolate alle murature di appoggio, per evitare lo sfilamento che si è innescato con l evento sismico. Le strutture lignee soprastanti (travi secondarie, travetti e tavolato) sono sottodimensionate e in condizioni di degrado tali da renderne necessaria la completa sostituzione. La parete che mette in comunicazione l aula liturgica con il presbiterio, caratterizzata dalla grande apertura voltata centrale e da due pannelli murari laterali alti e snelli, è stata interessata da un danneggiamento sismico di notevole entità. L azione sismica nel piano della parete ha generato le classiche lesioni da taglio con andamento a 45 che, vista la scarsa qualità della malta e dei mattoni stessi, si sono sviluppate ed estese a buona parte della superficie muraria. Il pericolo imminente di crollo del paramento di destra maggiormente lesionato ha fatto si che questo sia stato tra i primi elementi della Chiesa interessati dall intervento di messa in sicurezza dei vigili del fuoco. Come presidio è stato realizzato un intervento di intonacatura armata tradizionale in calcestruzzo e rete elettrosaldata. Tale consolidamento provvisorio, estremamente invasivo dal punto di vista strutturale in quanto altera completamente la rigidezza della muratura interessata, verrà sostituito con un sistema di rinforzo che mantenga inalterato il comportamento dell elemento sotto l eventuale forza sismica. 4

6 La risposta dell edificio sotto l azione sismica, oltre a presentare evidenti cinematismi locali di collasso e un quadro fessurativo assai diffuso, ha evidenziato uno stato di danneggiamento maggiore in corrispondenza del lato est della Chiesa. Questo fatto può essere riconducibile alla presenza di altri corpi di fabbrica addossati alla parte ovest e nord della fabbrica (presenza della Cappella del Rosario, della sagrestia, e dei locali della ex scuola materna ). Tale zona risulta avere una rigidezza maggiore e gli edifici adiacenti rappresentano per il corpo principale della Chiesa una sorta di contrafforti lungo il lato nord-ovest che ne contrastano e limitano fortemente la possibilità di formazione di cinematismi di collasso. Pertanto i maggiori dissesti si sono riscontrati sul lato Est, con gravi danni alle cappelle laterali e con evidenti rotazioni e distacchi delle facciate libere. Un quadro fessurativo diffuso è riscontrabile all interno e all esterno del fabbricato con lesioni di primo ordine connesse direttamente ai cinematismi attivatisi e lesioni di secondo ordine scaturite 5

7 consequenzialmente alle prime. Queste ultime, di minor entità, sono presenti in maniera diffusa sugli elementi strutturali secondari quali archi, architravi, volte e controsoffitti che hanno risentito dell effetto di trascinamento della risposta delle strutture portanti sotto l azione sismica. A seguito delle due scosse principali del 20 e del 29 maggio 2012 è avvenuto anche il crollo totale della lanterna al di sopra della cupola della cappella del Rosario. 6

8 4. Descrizione degli interventi strutturali di riparazione danni e miglioramento sismico Nel presente paragrafo sono descritte dettagliatamente le tipologie di intervento per ogni elemento strutturale interessato dal ripristino; la scelta delle soluzioni proposte, si è basata sul principio-guida del rispetto formale e sostanziale degli elementi costitutivi dell organismo strutturale originario. Sotto tale ottica il funzionamento delle strutture esistenti originarie non viene alterato dalle opere di riparazione e miglioramento sismico, ma tutti gli elementi continuano a svolgere la funzione per la quale sono stati originariamente realizzati. 4.1 Interventi sulle murature Consolidamento con la tecnica di scuci e cuci Le lesioni presenti in corrispondenza delle murature del fabbricato vengono risarcite con la tecnica di scuci e cuci finalizzata al ripristino della continuità muraria lungo le linee di fessurazione ed al risanamento di porzioni di muratura gravemente deteriorate. Tale intervento dovrà essere eseguito utilizzando materiali simili a quelli originari per forma, dimensioni, collegando i nuovi elementi alla muratura esistente con adeguate ammorsature nel piano del paramento murario e, se possibile, anche trasversalmente al paramento stesso, in modo da conseguire la massima omogeneità e monoliticità della parete riparata. Si prescrive l utilizzo di elementi in laterizio conformi al DM 14/01/2008 e malte idrauliche a ritiro controllato o leggermente espansive; l utilizzo di additivi dovrà essere verificato, in relazione alla consistenza e al degrado della malta e dei mattoni esistenti, ed in modo tale da evitare in ogni caso stati di coazione dovuti ad un eccessivo contrasto tra gli elementi. Si precisa che tale intervento necessita dove presente, della demolizione della porzione di intonaco della muratura interessata ed il conseguente ripristino del medesimo con malta di calce dopo il rinzaffo della muratura. N.B. Si raccomanda di utilizzare tale tecnica solo nel caso in cui l intonaco non sia antico; in caso contrario sarà necessario sigillare le lesioni con malte strutturali antiritiro a base di calce. 7

9 Consolidamento con intonaco armato con rete in fibra di vetro (GFRP net) L intonaco armato tradizionale applicato come messa in sicurezza in corrispondenza del paramento murario che divide la navata dall abside verrà sostituito con un consolidamento su entrambe le facce realizzato con intonaco a base di calce armato con rete in fibra di vetro. Anche la muratura al di sopra dell arcone absidale, che versa in pessime condizioni, verrà rinforzata mediante l applicazione del medesimo intonaco armato in GFRP. L utilizzo di materiali come la malta a base di calce e la rete in GFRP consentono di incrementare la resistenza del pannello murario senza modificarne la rigidezza e, quindi, senza alterarne il comportamento originario sotto l azione sismica nel rispetto della conservazione e della compatibilità dei materiali. Prove sperimentali riportate in letteratura dimostrano che, per murature in mattoni rinforzate con tale tecnica, si ottengono notevoli incrementi di resistenza lasciando pressochè invariata la rigidezza dell elemento (Convegno Nazionale_Sicurezza e Conservazione, N.Gattesco, A.Dudine, Efficacia di una tecnica di rinforzo per murature con intonaco e rete in GFRP). Tale intervento prevede, preliminarmente, la rimozione dell intonaco esistente e della malta nei giunti della muratura per una profondità di mm, su entrambe le facce. Si procede con l applicazione di uno strato di rinzaffo con malta idraulica e l esecuzione di fori passanti, con diametro 10 mm, in modo da permettere l inserimento dei connettori. A questo punto si dispone la rete in GFRP su entrambe le facce, si inseriscono i connettori φ6 in aramide (n 6 al mq) e successivamente si iniettano i fori con resina epossidica tixotropica per l ancoraggio dei connettori. Infine si procede alla stesura di un nuovo intonaco in malta a base di calce dello spessore di circa 3 cm. Sostituzione/posa in opera di architravi In corrispondenza delle due aperture sulla facciata principale che presentano evidenti lesioni d architrave si procederà alla posa in opera, previa idonea puntellatura dei solai circostanti, di profili in acciaio costituiti da HEA 120 tra loro collegati con barre φ16/100 passanti e ben ammorsati alla muratura circostante. 8

10 Cerchiatura di apertura Si prevede l inserimento di cerchiature metalliche nelle aperture in corrispondenza di zone critiche in prossimità degli incroci d angolo, valutando attentamente che la nuova struttura in acciaio non modifichi sostanzialmente la rigidezza del pannello murario interessato e che non ne alteri il comportamento sotto l azione sismica. La cerchiatura sarà realizzata con telai continui costituiti da profilati metallici del tipo HEB 120 collegati tra loro con calastrelli ed ancorati alla muratura circostante con zanche metalliche o con perfori armati. 9

11 Perforazioni armate per incatenamento e ammorsature d angolo Per garantire una idonea ammorsatura tra murature che si intersecano, nelle zone in cui tale collegamento risulta scadente o mancante, si realizzano delle cuciture armate con barre filettate 20 di acciaio zincato. Tale intervento è previsto in corrispondenza degli incroci d angolo tra la facciata e le pareti longitudinali della navata centrale con perforazioni di lunghezza variabile lungo l altezza in funzione della presenza di aperture. Le barre filettate 20 vengono inserite, ad interasse verticale di 100 cm, in perfori 35 iniettati con miscele antiritiro. L ancoraggio esterno di ciascuna barra alla muratura è garantito dall applicazione di una piastra metallica 150x150x8mm posta sotto traccia. Un intervento analogo è previsto per garantire il collegamento tra le facciate esterne delle cappelle laterali e le pareti più interne della navata centrale. Anche in questo caso si dispongono perforazioni armate con barre φ20 inserite, ogni 100 cm, in perfori φ35 iniettati con miscele antiritiro. L ancoraggio singolo o doppio, a seconda che le barre siano o no passanti, è costituito da una piastra metallica 150x150x8mm. Ricostruzione del timpano Il timpano crollato a seguito dell evento sismico verrà ricostruito fedelmente in muratura di mattoni pieni e malta aventi caratteristiche meccaniche conformi al DM 2008 (resistenza del mattone 15 N/mm2 e classe malta M5). L ammorsamento della nuova muratura a quella esistente della porzione di facciata sottostante sarà garantito dall inserimento di perforazioni armate verticali. Ogni 75cm si eseguono perforazioni φ35 lunghe 10

12 100cm all interno del muro sottostante, si inseriscono delle barre filettate in acciaio zincato φ20 lunghe 200cm e si iniettano i perfori con malte antiritiro. Il nuovo timpano verrà murato inglobando al suo interno la porzione di barre lunghe 100cm che fungerà da rinforzo e vincolamento alla base. Cerchiature esterne in nastri CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) Come presidio antisismico globale, in corrispondenza del corpo principale della Chiesa, immediatamente al di sotto del timpano si dispone lungo il perimetro esterno dell edificio un nastro in fibra di carbonio unidirezionale (CFRP) di larghezza pari a 20 cm e grammatura γ = 400g/mq, avente funzione di cerchiatura sommitale e rinforzo flessionale. In corrispondenza del prospetto nord, nelle zone di incrocio d angolo tra la muratura più alta del corpo centrale e le pareti laterali dell abside, è necessario interrompere la cerchiatura in materiale composito che verrà ancorata alle murature mediante un serraggio meccanico con piastre e contropiastre metalliche d angolo. La piastra più interna di dimensioni ( )x300x8mm è vincolata alla parete mediante 6+6 perforazioni armate con barre filettate φ16. Al di sopra di questa, dopo aver disposto un nastro in fibra di vetro come dielettrico, si sovrappone il nastro in CFRP che verrà vincolato con l applicazione della contropiastra superiore (delle medesime dimensioni) serrata alla prima mediante le 6 bullonature. La continuità della cerchiatura in CFRP viene garantita dall inserimento di una catena metallica φ30 disposta trasversalmente al corpo della chiesa in prossimità dell arcone che divide la navata dall abside. Il tirante metallico posto alla stessa quota della fibra viene ad essa vincolato attraverso piastre e contropiastre metalliche. 11

13 Un secondo ordine di cerchiatura in fibra di carbonio viene previsto a quota inferiore, sia come ulteriore presidio contro il ribaltamento della facciata principale che come collegamento in corrispondenza della sommità della murature perimetrali delle cappelle laterali. Le caratteristiche del nastro in CFRP sono quelle appene descritte e anche in questo caso la cerchiatura non fa un giro completo del fabbricato ma, viene ancorata meccanicamente con piastre metalliche. Sul prospetto ovest il serraggio di estremità è localizzato in corrispondenza dell incrocio murario con la cappella della Beata Vergine del Rosario, mentre sul prospetto est la fibra termina sulla parete di chiusura delle cappelle laterali. N.B. Prima di procedere all applicazione dei nastri in CFRP si rende sempre necessario regolarizzare la superficie di applicazione con malta tixotropica fibrorinforzata per garantire la perfetta aderenza al supporto murario. 4.2 Interventi sugli orizzontamenti Ricostruzione porzione di copertura a ridosso del timpano di facciata Le due campate di solaio di copertura a ridosso della facciata principale sono state gravemente danneggiate dal crollo del timpano. Risulta necessario, quindi, procedere alla loro sostituzione, riproponendole in fase di progetto in struttura metallica più leggera. Le due nuove capriate sono realizzate con profili tipo HEA200 per i puntoni e un tirante metallico φ30 come catena orizzontale. Al di sopra si dispone un tavolato semplice di 4 cm di spessore che deve essere vincolato alla muratura della facciata mediante un angolare metallico di appoggio. Sopra il tavolato ligneo si dispone un getto di completamento e di compensazione degli spessori con materiale leggero non strutturale, il telo impermeabilizzante ed infine il manto di copertura in coppi. 12

14 Ricostruzione del tratto di cordolo in prossimità della facciata Il cordolo esistente in prossimità del timpano di facciata avendo subito ingenti danni a seguito del sisma e del conseguente ribaltamento del timpano necessita di una parziale ricostruzione. In questo tratto, in corrispondenza delle due nuove campate in struttura metallica, la cordolatura viene ricostruita in calcestruzzo leggero LC30/33, armato con 2+2 barre φ16 e staffe φ8/20cm. La connessione della nuova armatura al cordolo esistente viene ottenuta mediante perforazioni armate e iniettate con resine epossidiche. Potendo verificare direttamente la reale condizione del cordolo esistente in cantiere, si valuterà l alternativa di demolire una porzione di cordolatura esistente di almeno 40cm, scoprire e pulire le barre di armatura esistenti e sovrapporre le nuove unendole con saldature. Rinforzo del nodo di colmo delle travi tipo varese esistenti 13

15 La copertura del corpo principale della Chiesa è costituita da puntoni in travi tipo varese con sovrastante tavellonato. Per migliorare il funzionamento del nodo di colmo delle capriate, al fine di limitare l eventuale spinta non assorbita dalla catena orizzontale esistente posta in ogni campata, si prevede l inserimento di una cuffia metallica di collegamento. Tale sistema è realizzato con piatti metallici di 8 mm di spessore, che avvolgono le estremità dei due puntoni e, attraverso perforazioni armate e lamiere continue superiori e inferiori, ne garantiscono l unione. Inserimento IPE120 per collegamento capriate esistenti e appensione del cassettonato All intradosso delle travi tipo varese si dispongono due profili IPE120 per ciascuna falda, vincolandoli mediante angolari metallici e perni a ciascuna trave esistente allo scopo di inserire un collegamento trasversale tra tutte le capriate della navata principale. Questi profili metallici oltre ad assolvere la funzione di controventature nella direzione longitudinale della Chiesa hanno il compito di sostenere i nuovi trefoli φ8 di sospensione della controsoffittatura in cassottonato ligneo. Sostituzione del solaio di copertura in legno e tavolato dell abside Il nuovo solaio di copertura dell abside viene riproposto della medesima tipologia di quello esistente, in doppia orditura lignea e tavolato. Le due capriate esistenti vengono mantenute in quanto hanno sezione 14

16 adeguata e l essenza lignea versa in buone condizioni. L unica integrazione che le interessa è il miglioramento degli appoggi alle murature che allo stato attuale appaiono insufficienti a garantirne un buon vincolamento. La mancanza di una superficie di appoggio adeguata viene colmata con l inserimento di cuffie metalliche alle estremità che aumentano la lunghezza del vincolo. Inoltre il collegamento di tali cuffie, sia alla muratura con perforazioni che al cordolo metallico piatto mediante saldatura, consente di ottenere un miglioramento anche del collegamento trasversale tra pareti e solaio di copertura. Le travi principali esistenti vengono sostituite con nuove travi in legno di castagno 18x18cm opportunamente dimensionate secondo i carichi e sovraccarichi allineati alle norme NTC2008. Il loro collegamento alla facciata interna della chiesa, viene modificato rispetto all originario. Le nuove travi non vengono inserite all interno dellla muratura in quanto andrebbero a caricare in maniera puntuale l arcone sottostante provocandone il danneggiamento come è avvenuto allo stato attuale. La muratura dell arcone e quella ad esso soprastante presentano, infatti, un evidente quadro fessurativo che verrà risolto con l applicazione di intonaco armato in GFRP. L ancoraggio delle travi in corrispondenza di tale parete avverrà attraverso l inserimento di un profilo UPN 160 vincolato alla muratura in verticale mediante perforazioni armate e munito di cuffie per l alloggiamento delle travature stesse. Anche i travetti secondari vengono ridimensionati disponendoli ad un interasse maggiore rispetto a quello preesistente e il tavolato ligneo superiore sarà realizzato in legno di castagno di 3 cm di spessore. Al di 15

17 sopra del pacchetto strutturale si dispone il telo impermeabilizzante ed il manto di copertura in coppi. Inserimento cordolo metallico Per consentire un efficace collegamento sommitale tra le murature portanti dell abside, verrà realizzato, alla sommità delle murature su cui insiste la nuova copertura lignea, un cordolo metallico costituito da un piatto di dimensioni mm collegato alle murature sottostanti mediante perfori verticali φ35 disposti a quinconce ogni 75 cm di lunghezza pari a 100/120 cm, armati con barre φ20 di lunghezza pari a 105/125 cm e iniettati con malte antiritiro. In presenza di muratura di scarsa qualità, l intervento deve essere accompagnato da un opera di bonifica della fascia di muratura interessata. I cordoli metallici si prestano particolarmente bene al collegamento degli elementi lignei della copertura e contribuiscono all eliminazione delle eventuali spinte. Rifacimento della copertura e ricostruzione della lanterna della Cappella del Rosario Si prevede la ricostruzione della copertura al di sopra della cupola della Cappella del Rosario, prevedendo preliminarmente la riparazione e le regolarizzazione dei frenelli esistenti con muratura di mattoni pieni. Al di sopra delle murature perimetrali della cappella e in corrispondenza degli otto frenelli-costoloni della cupola si dispone una cordolatura con piatto metallico 200x10mm ancorato con perforazioni armate. La conformazione delle falde originarie si ripristina disponendo un tavolato superiore, il telo impermeabilizzante e il manto di copertura in coppi. La lanterna, completamente crollata a seguito dell evento sismico del maggio 2012, viene riproposta con struttura in acciaio e rivestimento in materiale leggero. In corrispondenza del tamburo si dispone una cerchiatura ottagonale di partenza realizzata con profili HEB120, dalla quale si ergono gli otto pilastrini realizzati con profili IPE120. A quota intermedia, appena sotto le aperture, si dispone un giro di UPN 120 di irrigidimento mentre la sommità dei pilastrini è vincolata da una chiusura con HEB120 che sorregge la cupolina sovrastante realizzata in materiali estremamente leggeri. La forma della cupola viene creata con un elemento sagomato in EPS 200 al di sopra del quale si getta una cappa in calcestruzzo leggero LC30/33 armata con rete in GFRP. Il tutto viene completato con un rivestimento con lastra di piombo. 16

18 Perforazioni Le perforazioni dovranno essere eseguite con attrezzo a pura rotazione, evitando ogni tipo di martellamento sugli elementi da perforare, con punte al diamante o al vidian, in base alla possibilità di utilizzare l acqua come lubrificante per la perforazione. Le iniezioni con malte antiritiro o con resine epossidiche bicomponenti dovranno essere eseguite, previo posizionamento delle barre di armatura, a bassa pressione per non danneggiare le strutture murarie. SI RACCOMANDA IN GENERALE DI ESEGUIRE SEMPRE LE PUNTELLAZIONI PREVENTIVE PRIMA DELLA ESECUZIONE DELLE LAVORAZIONI CHE COMPORTINO DEMOLIZIONI COINVOLGENTI STRUTTURE PORTANTI (MURATURE, TRAVI, ARCHITRAVI, SOLAI, ETC.). LA PROGETTAZIONE DELLE PUNTELLAZIONI E ONERE A CARICO ESCLUSIVO DELLA IMPRESA ESECUTRICE. 17