COMPORTAMENTO MECCANICO DELLE PALIFICATE LIGNEE DI VENEZIA NEL TEMPO Francesca Ceccato Dipartimento DICEA Università degli Studi di Padova francesca.ceccato@dicea.unipd.it Paolo Simonini Dipartimento DICEA Università degli Studi di Padova paolo.simonini@dicea.unipd.it Sommario Si è sempre ritenuto che il legno completamente immerso in acqua potesse resistere indefinitamente e che, pertanto, le palificate lignee sulle quali poggiano molti edifici storici della città di Venezia mantenessero inalterate nel tempo le proprie caratteristiche meccaniche. Recentemente si è scoperto che, anche in assenza di ossigeno, alcuni tipi di batteri possono degradare seriamente il legno che forma le palificate di fondazione. Lo studio, di carattere multidisciplinare, è rivolto a investigare sperimentalmente e a descrivere matematicamente gli effetti del degrado del legno sui cedimenti a lungo termine delle fondazioni degli edifici storici di Venezia. Introduzione I più diffusi tipi di fondazione delle antiche strutture veneziane sono formati da: zatteroni di legname (Figura 1) che sono una sorta di fondazione diretta, formata da tavolati lignei a più strati, posti a 2-3 m di profondità sotto il piano campagna al di sopra dei quali poggiano i plinti o le murature in pietrame fino a raggiungere il piano di pavimentazione; palificate lignee (Figura 2) che sono formate con corti paletti di legno di 10-20 cm di diametro e lunghi 1.5-3 m, infissi fittamente nel terreno, sui quali successivamente poggia un tavolato di legno e la muratura soprastante. Le palificate lignee sono spesso caratterizzate da pali di dimensioni tali da non raggiungere strati profondi resistenti essendo il loro effetto essenzialmente quello di migliorare il terreno creando una zona costipata su cui fondare il basamento delle colonne o dei muri portanti. Da recenti indagini è emerso che, anche in assenza di ossigeno, il legno può essere soggetto a elevato degrado nel tempo, accompagnato da perdita di resistenza quasi totale. La ricerca, promossa da CORILA con la Regione Veneto, all interno del progetto "Linee guida per gli interventi di consolidamento di fondazioni basate su palificazioni in legno", intende indagare e descrivere gli effetti del degrado del comportamento meccanico del singolo palo e delle palificate sul decorso dei cedimenti nel tempo delle palificate stesse e, conseguentemente, sulle murature perimetrali dei fabbricati storici Veneziani. A tale scopo si è impiegato un approccio di tipo numerico, nel quale la fondazione e il terreno circostante sono modellati ricorrendo ad un codice agli elementi finiti (Plaxis 8.2), nel quale il terreno coesivo tenero è descritto ricorrendo ad un legame costitutivo in grado di simulare il comportamento viscoso a lungo termine, e il legno con un legame elastico isotropo e perfettamente plastico i cui parametri significativi variano nel tempo per effetto del degrado del legno. Figura 1 Zatteroni di legname. Fondazioni del palazzo Ducale (Malvezzi, 1874)
Figura 2 Palificata lignea. Fondazione del campanile di San Marco a Venezia (Donghi, 1913). I materiali coinvolti Il legno Il legno è formato da cellule vegetali, di forma allungata, la cui parete cellulare è costituita da fibre di cellulosa e altri polisaccaridi strutturali, immersi in una matrice di lignina ed emicellulosa. La struttura è paragonabile a quella di un materiale composito, in cui le fibre garantiscono la maggior parte della resistenza, mentre la matrice conferisce rigidezza. Conseguentemente alla sua natura fibrosa, il legno è un materiale fortemente anisotropo con proprietà meccaniche che dipendono da fattori quali densità, contenuto d acqua, presenza di difetti ecc.. Per tali ragioni una modellazione costitutiva accurata del legno è assai complessa e non rientra tra gli scopi immediati della ricerca. La completa immersione in terreno saturo non inibisce il degrado del legno (Klaassen, 2008); recenti ricerche hanno inoltre evidenziato il precario stato di conservazione delle fondazioni lignee a Venezia (Gottardi et al., 2008, Biscontin et al. 2009). La valutazione del degrado del legno avviene con analisi chimico-fisiche, misurando: densità basale (BD), cioè il rapporto tra la massa anidra del legno ed il volume allo stato di massimo rigonfiamento, che può anche essere riferito alla densità basale media del legno della stessa specie non degradato, in modo da ottenere un rapporto percentuale denominato Densità Basale Residua (DBR %); MWC (Maximum Water Content %) che è calcolato come rapporto percentuale tra il peso dell acqua contenuta nel campione allo stato di massima imbibizione (peso del legno imbibito - peso del legno anidro) ed il peso dello stesso campione allo stato anidro. Quantità di cellulosa e polisaccaridi strutturali, comunemente detti olocellulosa (H); Quantità di emicellulosa e lignina (L); Quantità di ceneri, cioè sali, ossidi e altri composti inorganici che il sedimento, permeando nelle cellule vegetali, deposita. Nel legno degradato si osservano valori ridotti di DBR ed elevati di MWC, che può raggiungere anche il 1000%, e ceneri. Significativo è il rapporto olocellulosalignina (H/L): il degrado del legno sommerso procede, infatti, per decomposizione della cellulosa e dei polisaccaridi strutturali, mentre il contenuto di lignina rimane pressoché invariato. In altre parole, un rapporto H/L sensibilmente inferiore a quello caratteristico del legno della stessa specie, ma non degradato, denuncia un cattivo stato di conservazione (Biscontin et al, 2009). Dalla valutazione combinata dei parametri fisico-chimici, discende una stima accurata dello stato di conservazione del materiale Figura 3 Ipotesi di variazione delle proprietà fisiche caratteristiche nel tempo rispetto al valore del legno non degradato.
ma nulla di certo si può dire sulle sue caratteristiche meccaniche residue. Non è nota una legge di variazione che leghi le proprietà meccaniche al tempo, si tenta tuttavia di ipotizzare un andamento verosimile dei parametri in gioco (vedi Figura 3). Il deterioramento fisico-chimico dei polisaccaridi strutturali ha luogo per opera di batteri anaerobi e con cinetiche piuttosto lente, ma si può assumere che il volume del palo resti costante. In condizioni d imbibizione, il volume occupato da queste macromolecole viene sostituito dall acqua, per cui si ha una riduzione della densità basale del materiale e un aumento del MWC, questo fenomeno abbatte le caratteristiche meccaniche del legno. Terreno Il sottosuolo della laguna di Venezia presenta una notevole varietà e alternanza di strati, anche a distanze relativamente piccole. Frequentemente, sotto uno strato di terreno di riporto, più o meno recente, di spessore variabile da 1 a 4m, si trovano strati di 2-5m di terreno argilloso e argilloso-limoso con caratteristiche di resistenza piuttosto basse, spesso con sostanze organiche; al di sotto si ha alternanza di strati di sabbia fine, limi sabbiosi ed argillosi, argille limose. Si può comunque affermare che, frequentemente, a profondità variabili tra 5 e 15 m circa, si trovano strati di terreno caratterizzati da proprietà meccaniche discrete. In alcune zone è presente uno strato, spesso da 1 a 5 m, di argilla limosa fortemente sovraconsolidata, localmente noto come caranto. Questi terreni, in particolare quelli superficiali, sono molto compressibili e caratterizzati da un indice dei vuoti particolarmente alto. Volendo studiare il comportamento della palificata nei secoli, non si può trascurare il cedimento secondario, che in questi materiali risulta piuttosto elevato. Si sceglie di utilizzare il modello Soft Soil Creep, capace di tener conto dell effetto del tempo sulla risposta del terreno. I parametri d input sono determinati sfruttando alcune relazioni, calibrate sui terreni di Venezia, che permettono di stimare l angolo d attrito e la pendenza della linea di stato critico dalla curva granulometrica (S. Cola e P. Simonini, 2002). Si assume inoltre che, per gli indici di ricompressione e di creep, sussistano i seguenti rapporti: = 6 e = 0,55, frequentemente osservati in questi materiali. Modelli numerici: un caso semplice di palificata-tipo Al fine di determinare i fattori principali che caratterizzano il comportamento della fondazione nel tempo, consideriamo una palificata-tipo su terreno omogeneo molto compressibile (vedi Figura 4). Supponiamo che il terreno sia un argilla molle normalconsolidata, con indice dei vuoti piuttosto alto e decrescente verso il basso, i parametri di input sono riassunti in tabella 1 1. La falda è posta al piano campagna. Le fasi del calcolo tentano di simulare, in Figura 4 Palificata-tipo. Geometria utilizzata nelle prime analisi numeriche. modo semplificato, le fasi della costruzione: dopo la fase iniziale di consolidazione K0, viene applicato in superficie un carico uniforme di 20kPa, per simulare il peso del terreno di riporto, successivamente si azzerano gli spostamenti e sulla palificata si applica il carico di 200kPa, che rappresenta lo sforzo sulla muratura soprastante. Per il legno si utilizzano i valori tipici del pino silvestre, specie rinvenuta frequentemente a Venezia, e si ipotizza, inizialmente, un degrado lineare di rigidezza e resistenza nel tempo: essi decrescono, dai valori inziali rispettivamente di 1,0 10 7 kpa (E 0 ) e 2,43 10 4 kpa (c 0 ), fino ad annullarsi in 300 anni. Osservando l andamento del cedimento nel tempo si nota che la fondazione continua ad assolvere la sua funzione, e gli spostamenti sono prevalentemente dovuti al comportamento viscoso, finché il legno 1 del terreno di Venezia. è il grain size index, introdotto da Cola & Simonini (2002) per stimare i parametri caratteristici
non ha totalmente perso le proprie caratteristiche meccaniche (vedi Figura 5a). Quando il legno è totalmente deteriorato, i cedimenti aumentano drasticamente e sono essenzialmente concentrati nella zona d infissione dei pali. Come è lecito attendersi, al diminuire della rigidezza del legno, lo sforzo si trasferisce dai pali al terreno, è proprio questo meccanismo di ridistribuzione, unito al diminuire delle proprietà meccaniche del sistema di fondazione a determinare un rapido incremento dei cedimenti. Successivamente, sono stati presi in considerazione altri aspetti Tabella 1 Input del modello iniziale I GS 0,0005 ' cr 32,9 0,119 19 kn/m 3 0,0119 0,007 quali il rapporto tra la larghezza della fondazione e la lunghezza dei pali (B/L) e la presenza di uno strato resistente dove poggiare la punta dei pali, tuttavia si può dire che qualitativamente i risultati siano identici al caso appena illustrato. Un caso reale: la Basilica di Santa Maria Maggiore Recentemente si è presentata la possibilità di migliorare la conoscenza sul sistema delle fondazioni lignee analizzando l interessante caso della Basilica di S. M. Maggiore, la cui la facciata laterale mostra un cedimento differenziale di circa 25 cm nella sua lunghezza di 45m. E stata avviata una campagna d indagini consistente nell esecuzione di: 4 sondaggi strutturali inclinati attraversanti la fondazione con prelievo di campioni di legno e terreno (sia disturbati che indisturbati); 1 sondaggio geotecnico con prelievo di campioni indisturbati; 3 CPTU verticali. Le analisi sullo stato di conservazione del legno e i test di laboratorio per la caratterizzazione geotecnica dei terreni sono ancora in corso, tuttavia dalle prove con piezocono, è stato possibile definire, con una certa approssimazione, la stratigrafia del sito, che appare piuttosto omogenea nell estensione dell edificio. La stratigrafia mostra quattro strati principali: 1. Materiale di riempimento fino a quota -3,00m 2. Argilla limosa poco consistente con conchiglie fino a -6,0m 3. Argilla limosa fortemente sovraconsolidata (caranto) fino a -8,0m 4. Alternanze di sabbia fine limosa e lenti di argilla limosa fino a fine sondaggio. I parametri meccanici assegnati sono riassunti nella Tabella 2 e calcolati con riferimento a relazioni reperite in letteratura e calibrate specificatamente sui terreni veneziani (Ricceri et al., 2002). Per quanto riguarda il legno, in assenza d informazioni più dettagliate, si assume un modulo elastico e una resistenza a compressione tipica del pino silvestre fresco ipotizzando un degrado lineare delle proprietà meccaniche nel tempo, fino ad annullarsi in 500 anni (età attuale dell edificio). Le fasi del calcolo sono analoghe a quelle illustrate nel paragrafo precedente. Si osserva che il modello è molto sensibile a parametri di input come OCR e le caratteristiche di compressibilità, ma anche alla storia di carico della fondazione. Figura 5 Andamento dei cedimenti e delle proprietà meccaniche nel tempo, nel caso a) di fondazione-tipo su argilla molle e nel caso b) di S. M. Maggiore.
Quest ultimo aspetto crea notevoli difficoltà perché non è nota la storia della struttura e dell area circostante: non conosciamo la durata della costruzione della chiesa e quali interventi possano aver modificato la distribuzione dei carichi o lo stato di confinamento del terreno adiacente la fondazione. Nuovamente si osserva che il degrado del legno provoca un accelerazione degli spostamenti verticali, solo quando la rigidezza scende sotto l 1% di quella originale (vedi Figura 5b). Alcune considerazioni conclusive Le analisi numeriche hanno permesso di definire i fattori principali che caratterizzano il comportamento della fondazione nel tempo; in particolare è emersa l importanza degli effetti di compressione secondaria, mentre sembra che il degrado del legno causi un decisivo incremento degli spostamenti solo quando il materiale ha completamente perso le proprie caratteristiche meccaniche. In altre parole pare che il legno possa assolvere alla propria funzione di miglioramento del terreno fino a livelli di degrado molto seri. Il Soft Soil Creep model permette di considerare il comportamento viscoso del terreno, ma rende la risposta molto sensibile alla storia di carico della fondazione che, in generale, non è nota. La campagna di indagini condotte a S. M. Maggiore ha permesso di accrescere la conoscenza sul complesso sistema delle fondazioni storiche veneziane. Le prove di laboratorio sul terreno permetteranno di perfezionare il modello geotecnico e, con le analisi sullo stato di conservazione del legno, sarà possibile avere un idea più chiara sul processo di degrado dei pali di fondazione. Non è ancora stato individuato con certezza quale meccanismo abbia generato un cedimento differenziale di oltre 25cm sulla muratura laterale di S. M. Maggiore, ma studi futuri approfondiranno la conoscenza del fenomeno, tuttavia non è escluso che l abbassamento possa non essere causato solamente dal degrado del sistema di fondazione. z real Soil 'c k e 0 k* <3 filling 6 Soft Clay with shells 33 0,118 0,020 1,1 0,056 0,009 0,00310 8 Caranto 33 0,113 0,019 0,6 0,071 0,012 0,00390 >8 Silty sand 35 0,099 0,016 0,8 0,055 0,009 0,00301 Tabella 2 Parametri di inputo del terreno per il modello numerico di S. M. Maggiore Ringraziamenti La ricerca è stata promossa, coordinata e finanziata da CORILA (Consorzio per il Coordinamento delle Ricerche sul Sistema Lagunare di Venezia) con la Regione Veneto. Oltre all Università di Padova, partecipano al progetto anche: la Soprintendenza per i Beni Culturali di Venezia, il CNR-IVALSA di Firenze, l Università Ca Foscari di Venezia e INSULA. Bibliografia Biscontin G., Izzo F., Rinaldi E. (a cura di), 2009. Il sistema delle fondazioni lignee a Venezia. Valutazione del comportamento chimico-fisico e microbiologico pubblicato da CORILA. G. Gottardi, A. Lionello, C. Modena, Influenza delle caratteristiche di fondazione sulla stabilità dei campanili di S. Stefano e dei Frari a Venezia Metodi e strategie di progetto in Quaderni IUAV:54 Geologia e progettazione nel centro storico di Venezia La riqualificazione della città e dei territori, Il Poligrafo, Padova, pp. 79-98, 2008. R. K. W. M. Klaassen, 2008, Bacterial decay in wooden foundation piles Patterns and causes:a study of historical pile foundations in the Netherlands International Biodeterioration & Biodegradation 61 pp.45 60 G. Ricceri, P. Simonini, S. Cola, 2002. Applicability of piezocon and dilatometer to characterize the soils of the Venice Lagoon Geothecnical and geological engineering 20: 89-121 S. Cola, P. Simonini, 2002. Influenza della granulometria sul comportamento meccanico dei terreni limosi eterogenei: il caso dei terreni della laguna di Venezia