Il caso della Torre campanaria di Pisa. cause e soluzione finale di un complesso problema geotecnico

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1 Il caso della Torre campanaria di Pisa cause e soluzione finale di un complesso problema geotecnico

2 Veduta aerea del complesso monumentale di Pisa con il Campanile, il Duomo, il Battistero e il Camposanto

3 La Piazza dei Miracoli a Pisa con la famosa Torre pendente costruita a partire dal 1173 e completata in quasi 200 anni in tre distinte fasi di lavori

4 Il fenomeno dell inclinazione della Torre di Pisa presenta tutti gli aspetti caratteristici del comportamento delle opere che, nel decorso di assestamento di consolidazione del terreno si inclinano per cedimenti disuniformi, con moto di rotazione rigida che prosegue nel tempo. La Torre, che per il suo valore artistico e la pendenza da essa raggiunta ha destato in tutti i tempi l interesse degli studiosi, è un tipico esempio di un fenomeno la cui interpretazione coinvolge fondamentali nozioni di Geotecnica.

5 Innanzitutto va ricordato che i cedimenti ai quali può andare soggetto un edificio possono essere di due tipi fondamentali: a) cedimenti uniformi; b) cedimenti differenziali. Ovviamente sono questi ultimi che possono causare notevoli problemi di staticità dal momento che impartiscono alle strutture dell opera e al terreno di fondazione sollecitazioni disuniformi e anomale che aumentano progressivamente nel tempo all aumentare dell inclinazione. I cedimenti differenziali sono molto diffusi fra gli edifici monumentali, in particolare le torri e i campanili, dato il loro elevato carico unitario.

6 L Holstentor di Lubecca e il Duomo di Königsberg (Germania): due monumenti interessati da cedimenti da oltre 600 anni

7 La costruzione della Torre di Pisa, che fu iniziata nel 1173 e venne completata nel 1370, ha subito fino al 1994 un cedimento medio compreso tra 2,5 e 3 metri, come si può dedurre dal riferimento alla quota dell adiacente Duomo, completato nel 1118, il quale anche esso si è notevolmente abbassato, consolidando maggiormente il sottosuolo del lato nord della Torre e influenzando lo stesso cedimento, sia differenziale che totale, del campanile, che trasmette al terreno un carico totale di ben tonnellate ( 142 MN). All inizio degli anni 90 lo strapiombo aveva raggiunto il preoccupante valore di 4,7 m e continuava ad aumentare con una velocità media di circa 1,5 mm/anno.

8 Influenza della sismicità Per valutare l eventuale influenza dei terremoti sulla stabilità della Torre, furono accuratamente studiati i cataloghi dei terremoti italiani avvenuti in Italia dall anno 1000 al In nessun caso, nel periodo esaminato, si sono avuti a Pisa danni importanti causati da sismi né tanto meno esistono notizie di danni riguardanti la Torre. Anche gli eventi sismici registrati dai sismometri installati sul monumento a partire dal 1992 si collocano tutti al di sotto della soglia considerata critica per il rischio sismico. I terremoti, pertanto, non sembrano avere avuto nessuna influenza sulle condizioni di stabilità della Torre di Pisa.

9 Confronto tra l inclinazione della Torre nel 1370 e nel 1995

10 Decorso nel tempo dell inclinazione del campanile di Pisa

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12 Caratteristiche litologiche del sottosuolo della Torre di Pisa: Complesso A riporti, sabbie e limi (fino a - 10 m); Complesso B argille con intercalazione di sabbie (da -10 a - 37 m); Complesso C sabbie limose compatte con falda acquifera confinata (oltre - 37 m)

13 Cause dei cedimenti della Torre di Pisa Per molto tempo si è ritenuto che i cedimenti del monumento fossero imputabili all assestamento del solo terreno limo-sabbioso su cui poggia la fondazione. In realtà, le indagini eseguite nel corso degli ultimi 40 anni hanno dimostrato che l aliquota principale dei cedimenti deve ricercarsi nelle deformazioni plastico-viscose a carico dei terreni argillosi del Complesso B, sui quali grava una percentuale importante del peso della Torre.

14 Rischi di crollo I rischi di crollo per una costruzione fortemente eccentrica come la Torre di Pisa non derivano soltanto dal possibile ribaltamento dell opera al graduale aumento della inclinazione. Esiste infatti un altro rischio dovuto al progressivo degrado delle strutture portanti che potrebbe determinare la rottura per compressione e il collasso strutturale della Torre, analogamente a quanto è successo in passato ad altri monumenti famosi.

15 La Torre civica di Parma era il vero simbolo della città con i suoi 120 m d altezza. Costruita a partire dal 1287, sorgeva a fianco dell antico palazzo del Capitano del Popolo in piazza Grande (ora piazza Garibaldi). All inizio del XVII sec. la stabilità della torre risultava fortemente compromessa da una forte pendenza e dalla presenza diffusa di lesioni e dissesti, tanto che il 27 gennaio 1606 crollò improvvisamente per collasso strutturale, distruggendo i palazzi contigui e causando la morte di decine di persone.

16 Il vecchio campanile di San Marco a Venezia (XVI sec.) e un suo spaccato in un disegno ottocentesco

17 Ricostruzione (ipotetica) del crollo del campanile di San Marco avvenuto il 14 luglio 1902 in seguito a collasso strutturale

18 Il crollo improvviso della Torre civica di Pavia (XIV-XVI sec.), avvenuto in seguito a collasso strutturale il 17 marzo 1989, causò la morte di quattro persone

19 Spaccato della muratura di riempimento a sacco della struttura muraria esterna della Torre di Pisa

20 La zona staticamente più critica della Torre, a causa delle elevatissime sollecitazioni, è quella sul lato di massima pendenza. L indebolimento della muratura è accentuato dalla presenza della scala elicoidale che sottrae una parte importante del materiale con funzione portante.

21 Esempio di scheda descrittiva delle caratteristiche tessiturali dei marmi delle colonne portanti: le venature evidenziate possono rappresentare zone di particolare debolezza strutturale

22 Schema degli interventi di consolidazione eseguiti nel 1935 che causarono invece un improvviso incremento della pendenza della Torre

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24 I nuovi interventi di messa in sicurezza I rischi di crollo dovuti al progressivo aumento dell inclinazione della Torre di Pisa indussero nel 1990 il Governo a nominare un comitato scientifico di esperti per porre rimedio al problema. I primi lavori consistettero nella messa in sicurezza del monumento e nell arrestare il movimento di rotazione. Questi obiettivi vennero raggiunti con tre interventi distinti: 1) Rimozione delle campane dalla cella campanaria; 2) Opera di presidio con stralli di acciaio per un eventuale sostegno del monumento; 3) Controbilanciamento del carico eccentrico con applicazione di un appesantimento sul lato soprapendenza tramite accumulo di lingotti di piombo.

25 La cella campanaria della Torre che ospita ben sette campane, per un peso complessivo di 9,5 tonnellate

26 L interno della cella campanaria della Torre prima della rimozione delle pesanti campane

27 La Torre campanaria di Pisa con i cavi di sicurezza (stralli) e il muro del cantiere (giugno 1999)

28 I cavi di sicurezza in acciaio che avrebbero sostenuto la Torre in caso di cedimento durante i lavori di messa in sicurezza

29 Inviluppo dei cavi di sostegno della Torre di Pisa a livello della seconda cornice

30 Schema dei cavalletti di ancoraggio e dei cavi di sostegno

31 Uno dei due cavalletti di ancoraggio (ovest) della struttura di sostegno della Torre di Pisa

32 Dettagli della struttura di appesantimento, costituita da centinaia di lingotti di piombo (del peso di 10 t ciascuno) disposti su una trave anulare di c.a. precompresso, per controbilanciare l eccentricità del carico della Torre durante i lavori di ristrutturazione

33 Andamento della rotazione della Torre dal 1911 al 1995: l effetto dell applicazione dei contrappesi in piombo, sistemati gradualmente dal luglio 1993 al febbraio 1994, è evidente. Da questa data la Torre comincia lentamente a raddrizzarsi.

34 Le soluzioni definitive progettate Tram ite lo studio di m odelli numerici ad elementi finiti, furono prese in considerazione divers e pos s ibilità di intervento per la s tabilizzazione definitiva della Torre: 1)Installazione di 10 ancoraggi di acciaio cem entati nelle s abbie inferiori alla profondità di 45 m ; 2)Elettrodi infissi nel terreno alla profondità di 20 m per l estrazione di acqua dalle argille tramite elettrosmosi; 3)Sotto-escavazione del terreno di fondazione tramite perforazioni inclinate s pinte fin sotto la bas e della Torre.

35 (b) (a) (a) modello numerico ad elementi finiti della Torre; (b) tomografia sonica di sezione orizzontale

36 S c h e m a d e l l e t r e i p o t e s i d i i n t e r v e n t o : 1)ancoraggi 2)elettrosmosi 3)sotto-escavazione

37 La scelta finale Dopo varie discussioni e confronti, nel 1999 il Comitato scientifico per la salvaguardia della Torre di Pisa optò per la soluzione della sotto-escavazione del terreno, abbandonando le altre due ipotesi. La sotto-escavazione definitiva fu condotta nel attraverso 41 perforazioni inclinate. Contestualmente, furono rimossi i lingotti di piombo e la relativa trave di appoggio. Nel giugno 2001 fu anche smontata la struttura di presidio per il sostegno del monumento, senza che fosse mai stato necessario azionarla. Furono così asportati 38 m3 di terreno, dei quali il 30% al di sotto della fondazione e il 70% a nord di essa. La penetrazione massima raggiunse la profondità di 5,7 m dal piano campagna, fino a 2 m sotto la fondazione della Torre.

38 Dettaglio delle trivelle elicoidali utilizzate per l estrazione di terreno

39 Schema dell operazione di estrazione di terreno dal sottosuolo di fondazione

40 Dettaglio della cerchiatura definitiva della Torre di Pisa a livello della prima cornice

41 Risultati ottenuti Con l asportazione controllata di un adeguato quantitativo di terreno dal sottosuolo tramite il metodo di sottoescavazione, insieme agli interventi sussidiari di collegamento strutturale del catino al plinto di fonda-zione e di regolazione della falda idrica, si è ottenuta la riduzione della pendenza della Torre di 0,5 (1800 secondi d arco). Questo intervento ha portato all arresto definitivo del fenomeno di instabilità instauratosi già durante la costruzione del monumento nel Medio Evo. Si prevede pertanto che da ora in poi la Torre rimarrà sostanzialmente ferma, a meno dei piccoli movimenti ciclici dovuti alle variazioni stagionali della temperatura e del regime delle falde acquifere.

42 (a) (b) La Torre vista dalla medesima visuale (a) prima e (b) dopo l intervento di sotto-escavazione: il decremento finale dell inclinazione è stato di 0,5

43 Fine della presentazione