ANALISI E PREVISIONE DEL DANNO DI EDIFICI CON DIFFERENTE TIPOLOGIA FONDALE IN TERRENI DI ALTA COMPRESSIBILITÀ: DUE CASI DI STUDIO NEI PAESI BASSI

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1 ANALISI E PREVISIONE DEL DANNO DI EDIFICI CON DIFFERENTE TIPOLOGIA FONDALE IN TERRENI DI ALTA COMPRESSIBILITÀ: DUE CASI DI STUDIO NEI PAESI BASSI Antonio Marchese, Gianfranco Nicodemo, Dario Peduto, Settimio Ferlisi Dipartimento di Ingegneria Civile, Università di Salerno amarchese@unisa.it, gnicodemo@unisa.it, dpeduto@unisa.it, sferlisi@unisa.it Sommario L impiego del monitoraggio per il controllo del comportamento di edifici in aree subsidenti è estremamente utile nella programmazione di interventi mirati alla loro salvaguardia; tuttavia, il ricorso a tecniche di monitoraggio classiche può risultare economicamente svantaggioso nel caso di aree urbanizzate di rilevante estensione. Un prezioso contributo in tale direzione è fornito da tecniche di monitoraggio avanzate, quali quelle che si avvalgono della interferometria differenziale (DInSAR). La presente comunicazione illustra una procedura mirata alla generazione su base empirica di curve di fragilità per edifici in muratura soggetti a cedimenti differenziali mediante l utilizzo combinato di dati DInSAR e di informazioni acquisite con rilievi del danno in sito. La procedura è applicata nelle aree urbanizzate di due Comuni dei Paesi Bassi dove gli edifici presentano una diversa tipologia fondale (superficiale o profonda) posta in terreni di alta compressibilità. Si valuta, infine, l efficacia delle opere di ripristino di una fondazione su pali operando un confronto tra gli andamenti dei cedimenti del relativo edificio nel tempo osservati, in condizioni pre- e post-intervento, con la tecnica DInSAR. 1. Introduzione I depositi naturali che contengono strati continui o discontinui di terreni con un elevata frazione organica presentano un alta compressibilità sia nella fase di consolidazione primaria che in quella secondaria (Den Haan e Kruse, 2006). Pertanto, gli edifici su di essi fondati possono manifestare cedimenti assoluti e differenziali di entità tale da causare danni di diversa severità, ovvero di carattere prevalentemente estetico o in grado di compromettere la funzionalità se non anche la stabilità delle strutture in elevazione. Per prevenire tali danni, sin dall XI secolo le fondazioni profonde sono state privilegiate rispetto a quelle superficiali in molti Paesi europei dove si riscontra la presenza dei predetti terreni e sono tuttora in servizio pali di legno (Klaassen e Creemers, 2012). Negli ultimi decenni, questi ultimi hanno palesato rilevanti problemi di funzionalità a causa del decadimento del legno dovuto all attacco di funghi o batteri nelle zone di escursione della falda. Pertanto, in molti casi, i proprietari sono stati chiamati a sostenere costi elevati per la messa in opera di interventi consistenti nella riparazione o sostituzione di uno o più pali se non, addirittura, dell intero sistema di fondazione. A tal riguardo, si stima che nei Paesi Bassi il costo di riparazione delle palificate ammonti a circa euro per abitazione che, in media, corrisponde al 10-30% del valore globale della casa (Klaassen, 2015). A tale costo si somma quello necessario per la previa ispezione dello stato di conservazione delle fondazioni, che risulta anche temporalmente oneroso se rivolto ad aree urbanizzate di grande estensione. Per scongiurare ulteriori incrementi del livello di severità del danno negli edifici fondati su terreni di alta compressibilità, un prezioso contributo può essere offerto dall impiego di sistemi di monitoraggio innovativi, quali si configurano quelli basati sulla elaborazione di immagini acquisite da radar ad apertura sintetica (SAR) montati su piattaforme satellitari mediante tecniche interferometriche differenziali (DInSAR). Tali sistemi restituiscono informazioni spazialmente e temporalmente

2 distribuite di spostamenti di punti della superficie topografica o del tetto di edifici con precisione submillimetrica (sulla velocità media nel tempo) e costi decisamente contenuti, laddove si faccia riferimento ad aree urbanizzate di grande estensione (Peduto et al., 2015). La presente comunicazione illustra una procedura volta ad enucleare la relazione sussistente tra causa (cedimenti differenziali) ed effetto (livello di severità del danno registrato) mediante l uso combinato di dati DInSAR e di informazioni acquisite con rilievi del danno in sito, evidenziando nel contempo le differenze di comportamento esibite da edifici con diversa tipologia di fondazione. Tali aspetti sono affrontati attraverso la generazione su base empirica di curve di fragilità che, con riferimento ad una categoria di edifici, esprimono il legame funzionale tra un assegnato valore del parametro di intensità (nella fattispecie, il cedimento differenziale) e la probabilità che un certo livello di severità del danno venga raggiunto o superato. La procedura è applicata nelle aree urbanizzate di due Comuni dei Paesi Bassi dove si rinvengono edifici in muratura con fondazioni superficiali o profonde (di legno). Inoltre, viene verificata l efficacia della riparazione di una fondazione mediante l analisi di dati di cedimento DInSAR prima e dopo la messa in opera dell intervento. 2. Aree di studio 2.1. Contesto geologico Le due aree di studio sono situate nella parte settentrionale (Zaanstad) e meridionale (Dordrecht) dei Paesi Bassi (Figg. 1a e 1b). Le informazioni sulla lito-stratigrafia e sulle classi litologiche del sottosuolo, incluse le probabilità di rinvenimento di ogni classe, sono fornite dal modello 3D GeoTop ( realizzato dal Geological Survey of The Netherlands (GSN). Fig. 1 Aree di studio di (a) Zaanstad e (b) Dordrecht con relativo inquadramento geologico e sezioni trasversali lungo i profili A-A e B-B (estratti dal portale del Geological Survey of the Netherland - DINOloket). Distribuzione spaziale del tipo di fondazione adottata nelle aree di studio: quartiere nord (a1) e sud (a2) del Comune di Zaanstad; zona centrale (b2) del Comune di Dordrecht.

3 Il modello GeoTop discretizza il territorio in milioni di voxels, ognuno dei quali misura ,5 m (altezza larghezza profondità) fino a una profondità di 50 m dal piano campagna (Stafleu et al., 2011). La Figura 1 evidenzia come il sottosuolo sia costituito da strati di argille e torbe alternati a lenti di terreni sabbiosi e sovrapposti a depositi sabbiosi di età pleistocenica. Con riferimento, invece, al tipo di fondazione si osserva che a Zaanstad gli edifici in muratura presentano fondazioni profonde di legno (Fig. 1, a1 e a2) volte ad evitare che il carico delle strutture in elevazione sia direttamente trasmesso agli strati di terreni di alta compressibilità di spessore non superiore ai 10 m che si rinvengono nelle zone più superficiali (si veda il modello geologico della sezione trasversale A-A di Fig. 1); a Dordrecht, invece, il patrimonio edilizio è costituito da edifici in muratura con fondazioni sia superficiali che profonde, in relazione alle peculiarità stratigrafiche del sottosuolo che vedono strati di terreno a prevalente frazione fine alternarsi a strati di terreno a grana grossa di simile spessore (si veda il modello geologico della sezione trasversale B-B di Fig. 1) Dataset disponibile Con riferimento ai Comuni di Zaanstad e di Dordrecht, i dati DInSAR disponibili sono stati acquisiti dalla costellazione di satelliti TerraSAR-X (TSX) nel periodo compreso tra il 2009 e il 2015 e sono stati elaborati da SkyGEO tramite un algoritmo simile al PS-InSAR (Ferretti et al., 2001). Ai fini del presente studio, si sono considerati solo i dati PS-InSAR ricadenti sugli edifici (Fig. 2) e le cui velocità di spostamento sono state proiettate lungo la direzione verticale (Peduto et al., 2015). Nell ultimo decennio, entrambi i Comuni hanno commissionato estese campagne volte ad ispezionare il tipo di fondazione e il loro stato di conservazione. I risultati delle ispezioni hanno evidenziato che molte fondazioni su pali di legno risultano ammalorate a causa del decadimento del legno, rendendo così necessari interventi di ripristino. Le informazioni sulla data e sul tipo di riparazione, ove disponibili, sono state raccolte e utilizzate nel presente studio per valutare l efficacia delle riparazioni. Per quanto riguarda i danni agli edifici, è ben noto che l analisi dei quadri fessurativi delle strutture in elevazione restituisce informazioni utili a stabilire relazioni tra cedimenti differenziali e livelli di severità del danno (Cascini et al. 2013; Ferlisi et al., 2015). Sulla scorta di tale osservazione, nel febbraio-marzo 2016 si è effettuato un rilievo speditivo del danno per entrambe le aree di studio con delle schede ad hoc predisposte. Fig. 2 Distribuzione spaziale (su orbita ascendente e discendente) di dati TerraSAR-X ad alta risoluzione sugli edifici proiettati lungo la direzione verticale (periodo ) per il quartiere nord (a_1) e sud (a_2) del Comune di Zaanstad e (b_1) per la zona centrale del Comune di Dordrecht.

4 La severità del danno è stata differenziata in sei classi, similmente a quanto proposto da Burland et al. (1977): D0 = nessun danno; D1 = molto lieve; D2 = lieve; D3 = moderato; D4 = grave; D5 = molto grave. Il campione degli edifici rilevati si compone, per il Comune di Zaanstad, di 81 edifici in muratura su pali di legno (numero di edifici per livello di severità del danno: D0 = 8; D1 = 31; D2 = 20; D3 = 16; D4 = 6; D5 = 0) e, per il Comune di Dordrecht, di 132 edifici in muratura, a loro volta comprendenti 76 su fondazioni superficiali (numero di edifici per livello di severità del danno: D0 = 56; D1 = 9; D2 = 5; D3 = 6, D4 = 0, D5 = 0) e 56 su pali di legno (numero di edifici per livello di severità del danno: D0 = 23; D1 = 16; D2 = 9; D3 = 4; D4 = 2; D5 = 2). 3. La procedura Per risalire alle relazioni tra causa (cedimenti differenziali) ed effetto (livello di severità del danno registrato) fino alla generazione di curve di fragilità empiriche e per verificare l efficacia della riparazione di alcune fondazioni, si è adottata la procedura schematizzata in Figura 3. Fig. 3 Diagramma di flusso della procedura adottata. Gli elementi esposti, coincidenti con i singoli edifici in movimento, sono identificati grazie alla disponibilità di carte topografiche e tenendo conto delle loro velocità di spostamento per come derivanti dalla tecnica DInSAR utilizzata. Per ogni edificio si valuta il parametro di intensità e il relativo livello di severità del danno. In particolare, il primo corrisponde al cedimento differenziale in fondazione assunto coincidente con quello calcolato come differenza tra i valori massimi e minimi della componente verticale degli spostamenti DInSAR relativi a due generici punti del tetto dell edificio (Peduto et al., 2017); il secondo deriva dall analisi del quadri fessurativi delle facciate degli edifici per come scaturiti dai rilievi in sito. Successivamente, combinando le informazioni tra l intensità del cedimento differenziale ed il livello di severità del danno, si ricavano le curve empiriche di fragilità adottando una distribuzione probabilistica log-normale (Negulescu e Foerster, 2010; Peduto et al., 2017; Saeidi et al., 2009). Infine, si valuta l efficacia degli interventi di ripristino di alcune fondazioni mediante l analisi dell andamento dei relativi cedimenti nel tempo, stimati in condizioni di pre- e post-intervento. 4. Risultati Per ogni singolo elemento esposto, si è combinato il valore massimo del cedimento differenziale stimato lungo una generica sezione longitudinale dell edificio con l informazione relativa al livello di severità del danno rilevato. E stato così possibile pervenire, per ogni area di studio, alla relazione cercata tra causa ed effetto per gli edifici in muratura con fondazioni superficiali (Fig. 4a) e profonde (Fig. 4b). Le Figure mostrano come il livello di severità del danno tenda ad aumentare con l aumentare dei cedimenti differenziali, indipendentemente dalla tipologia fondale. Facendo, quindi, riferimento sia ad edifici con fondazioni superficiali (il livello di severità del danno rilevato va da D1 a D3) che su pali di legno (con livelli di severità del danno compresi tra D1 e D5), si sono generate le curve di fragilità empiriche (Figg. 5a e 5b).

5 Fig. 4 Livello di severità del danno vs. cedimento differenziale per edifici con fondazioni superficiali (a) e su pali di legno (b). Fig. 5 Curve empiriche di fragilità per edifici con fondazioni superficiali (a) e su pali di legno (b). Infine, la disponibilità di un archivio sugli interventi di manutenzione/ripristino di fondazioni nelle aree di studio ha consentito di verificare l efficacia delle riparazioni. In particolare, l analisi incentrata su un campione di edifici ha riguardato gli andamenti dei cedimenti PS-InSAR nel tempo in condizioni pre- e post-intervento. La Figura 6 mostra un esempio dei risultati dell analisi svolta su un edificio (Fig. 6a) le cui fondazioni sono state riparate nel novembre In questo caso, sono disponibili dati PS-InSAR derivanti da immagini ENVISAT, RadarSat e TerraSAR-X (acquisite tra il 2003 e il 2015). Dalla Figura 6b si può chiaramente apprezzare la modifica dell andamento dei cedimenti nel tempo prima e dopo la data di ripristino delle fondazioni che rientra nel periodo di osservazione ENVISAT. Inoltre, i dati RadarSat e TerraSAR-X evidenziano incrementi di cedimento compresi tra -2 e 2 mm/anno, ovvero inferiori alla soglia di movimento stabilita, così confermando l efficacia degli interventi di riparazione delle fondazioni. Fig. 6 Un esempio di verifica dell efficacia degli interventi di riparazione (a) delle fondazioni di un edificio e (b) serie temporali dei cedimenti PS-InSAR nelle fasi di pre- e post-intervento.

6 5. Discussione e conclusioni Nella presente comunicazione si è analizzato il comportamento di edifici in muratura con diversa tipologia fondale (superficiale o costituita di pali di legno) su terreni di alta compressibilità mediante l uso combinato di dati DInSAR e di informazioni acquisite con rilievi del danno in sito. Le curve di fragilità generate (su base empirica), una volta validate, possono rappresentare un potente strumento per le autorità preposte alla gestione dei sistemi urbani ai fini della individuazione degli edifici che prioritariamente necessitano di interventi nonché per i proprietari delle abitazioni nell ambito di processi decisionali che richiedono annualmente l impegno di una grande quantità di denaro. Si sono, inoltre, effettuati controlli a campione per valutare l efficacia di alcune opere di ripristino delle fondazioni, evidenziando così il potenziale delle tecniche DInSAR nel monitoraggio e nel controllo del costruito. Si ritiene, infine, che i risultati ottenuti, una volta esteso il campione degli edifici, potranno facilitare la selezione degli interventi più idonei per la mitigazione delle conseguenze indotte alle strutture in elevazione da cedimenti differenziali in fondazione. Bibliografia Burland J.B., Broms B.B., De Mello V.F.B. (1977) Behaviour of foundations and structures, SOA Report. Proceedings of the 9th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Tokyo, vol. 2, pp Cascini L., Peduto D., Reale D., Arena L., Ferlisi S., Verde S., Fornaro G. (2013). Detection and monitoring of facilities exposed to subsidence phenomena via past and current generation SAR sensors. Journal of Geophysics and Engineering, 10(6):064001, 14 pp. Den Haan E.J., Kruse G.A.M. (2006). Characterisation and Engineering Properties of Dutch Peats. In: Tan T.S., Phoon K.K., Hight D.W., Leroueil S. (eds.), Characterisation and Engineering Properties of Natural Soils, Taylor & Francis Group, London, vol. 3, pp Ferlisi S., Peduto D., Gullà G., Nicodemo G., Borrelli L., Fornaro G. (2015). The use of DInSAR data for the analysis of building damage induced by slow-moving landslides. In: Lollino G., Giordan D., Crosta G.B., Corominas J., Azzam R., Wasowski J., Sciarra N. (eds.), Engineering Geology for Society and Territory, Springer International Publishing Switzerland, Vol. 2, pp Ferretti A., Prati C., Rocca F. (2001). Permanent scatterers in SAR interferometry. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 39(1):8-20. Klaassen R.K.W.M. (2015). Life Expection of Wooden Foundations a Non-Destructive Approach. Proceedings of International Symposium Non-Destructive Testing in Civil Engineering (NDT-CE), Berlino, pp Klaassen R.K.W.M., Creemers, J.G.M. (2012). Wooden foundation piles and its underestimated relevance for cultural heritage. Journal of Cultural Heritage, 13: Negulescu C., Foerster E. (2010). Parametric studies and quantitative assessment of the vulnerability of a RC frame building exposed to differential settlements. Natural Hazards and Earth System Sciences, 10(9): Peduto D., Cascini L., Arena L., Ferlisi S., Fornaro G., Reale D. (2015). A general framework and related procedures for multiscale analyses of DInSAR data in subsiding urban areas, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 105: Peduto D., Nicodemo G., Maccabiani J., Ferlisi S. (2017). Multi-scale analysis of settlement-induced building damage using damage surveys and DInSAR data: A case study in The Netherlands. Engineering Geology, 218: Saeidi A., Deck O., Verdel T. (2009). Development of building vulnerability functions in subsidence regions from empirical methods. Engineering Structures, 31: Stafleu J., Maljers D., Gunnink J.L., Menkovic A., Busschers F.S. (2011). 3D modeling of the shallow subsurface of Zeeland, the Netherlands. Netherlands Journal of Geosciences, 90(4):