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Geotecnica & Restauro

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CAUSE GEOTECNICHE DEI DISSESTI DI EDIFICI STORICI E MONUMENTALI

Le cause che possono avere prodotto dissesti di edifici storici e monumentali possono avere origine antropica o naturale.
Fra le cause di origine naturale, le più frequenti sono:

il degrado dei materiali (malte, pietrame, mattoni, legno, etc..);
le frane, anche se spesso la responsabilità delle frane ha origine antropica;
i terremoti.

Fra le cause di origine antropica le più frequenti sono:

l’abbassamento delle falde acquifere per emungimento da pozzi, cui conseguono cedimenti assoluti e differenziali del terreno;
l’innalzamento delle falde acquifere, per abbandono del loro sfruttamento, cui conseguono rigonfiamenti assoluti e differenziali del terreno, e riduzione di capacità portante;
l’oscillazione del livello dei corsi d’acqua, che si ripercuotono sulle falde acquifere;
scavi in superficie o in galleria, in prossimità del monumento;
le ristrutturazioni e/o le variazione d’uso, cui conseguono alterazioni dell’assetto statico e dei carichi in fondazione;
le vibrazioni da traffico o da lavorazioni.

DEGRADO DEI MATERIALI COSTITUENTI LA FONDAZIONE
Le parti murarie delle fondazioni possono degradarsi per effetto dell’acqua dei fiumi, del mare o dell’acqua interstiziale, del gelo, di agenti chimici e biologici contenuti nel terreno, per creep viscoso o per carico ciclico. I processi di degrado delle murature di fondazione, pur nella diversità e particolarità delle condizioni ambientali, sono analoghi a quelli delle murature in elevazione.
Le parti lignee delle strutture di fondazione, ed in particolare i pali, possono degradare soprattutto per effetto dell’alternarsi delle condizioni di immersione e di emersione. Il legno, come materiale da costruzione è ottimo e stabile nel tempo, purché mantenuto sotto il livello di falda in un ambiente fresco e povero di ossigeno (stato anaerobico). Se invece è soggetto a periodiche immersioni ed emersioni, e quindi ad un’alternanza di stato aerobico e anaerobico, può deteriorarsi per bio-corrosione, ovvero per l’azione di funghi e batteri. Il problema della diagnosi e della cura dei pali in legno di fondazione interessa gli edifici antichi di molte città, ed in particolare di Venezia.

INSTABILITÀ DEI PENDII E/O DI CAVITÀ SOTTERRANEE
Molti dei centri storici in Italia e in Europa sono su pendii. Se si verifica una frana, gli edifici storici, come tutto il costruito, subiscono movimenti e distorsioni che possono danneggiarli. I principali fattori che influenzano la franosità sono:

fattori geologici, ovvero caratteri strutturali (faglie e fratturazioni), giacitura, scistosità, associazione e alternanza fra i litotipi, degradazione, alterazione, eventi sismici e vulcanici;
fattori morfologici ovvero pendenza dei versanti;
fattori idrogeologici, ovvero circolazione idrica superficiale e sotterranea, entità e distribuzione delle pressioni interstiziali;
fattori climatici e vegetazionali, ovvero alternanza di lunghe stagioni secche e periodi di intensa e/o prolungata piovosità, disboscamenti e incendi;
fattori antropici, ovvero scavi e riporti, disboscamenti e abbandono delle terre.

Le cause dei movimenti franosi possono essere distinte in cause strutturali o predisponenti, prevalentemente connesse ai fattori geologici, morfologici e idrogeologici, e in cause occasionali o determinanti (o scatenanti), prevalentemente connesse ai fattori climatici, vegetazionali, antropici ed al manifestarsi di eventi sismici o vulcanici.
Il movimento franoso si manifesta quando lungo una superficie (o meglio in corrispondenza di una “fascia” di terreno in prossimità di una superficie) all’interno del pendio, le tensioni tangenziali mobilitate per l’equilibrio (domanda di resistenza) eguagliano la capacità di resistenza al taglio del terreno. Ciò può avvenire per un aumento della domanda di resistenza, per una riduzione della capacità di resistenza o per il manifestarsi di entrambi i fenomeni. Un aumento della domanda di resistenza può essere determinato da un incremento di carico (dovuto ad esempio alla costruzione di un manufatto o ad un evento sismico), o da un aumento dell’acclività del pendio (dovuta ad esempio a erosione o sbancamento al piede). La riduzione della resistenza al taglio può essere dovuta ad un incremento delle pressioni interstiziali (per effetto ad esempio di un innalzamento della falda o della riduzione delle tensioni di capillarità prodotti dalla pioggia) o per effetto di fenomeni fisici, chimici o biologici.
Le più frequenti situazioni geotecniche di instabilità dei pendii che coinvolgono centri storici sono le seguenti:

Placche rocciose appoggiate su depositi di argilla. Esempi molto noti sono: San Leo, Orvieto,Civita di Bagnoregio, Agrigento;
Placche sabbiose o ghiaiose su depositi di argilla, come ad esempio Bisaccia;
Pendii rocciosi molto ripidi o sub-verticali, come ad esempio Narni;
Alte rupi rocciose, come quella su cui sorge Sorrento.

TERREMOTI
In un territorio come l’Italia, molto sismico e denso di centri storici ed edifici monumentali, il terremoto costituisce una delle più importanti cause di danneggiamento (o di collasso) del patrimonio storico-monumentale. Gli edifici antichi sono in genere più vulnerabili degli edifici recenti poiché non furono costruiti con criteri antisismici. Il consolidamento, miglioramento o adeguamento sismico degli edifici storico-monumentali pone problemi di difficile soluzione se si vuole preservarne l’autenticità. Per tale motivo è di particolare importanza lo studio delle azioni sismiche attese nei siti monumentali e della loro probabilità di evenienza.

SUBSIDENZA PER SCAVO DI GALLERIE URBANE
La realizzazione di una galleria comporta inevitabilmente la variazione dello stato pensionale nel sottosuolo, producendo deformazioni e cedimenti. Le conseguenze sono di varia natura: abbassamenti in superficie, variazione dell’andamento delle pressioni interstiziali, innesco di fenomeni di consolidazione. Nel caso delle gallerie urbane, tutte queste azioni rappresentano potenziali problemi per le infrastrutture sotterranee, come sottoservizi, reti e condutture, e per le strutture esistenti in superficie, particolarmente per quelle monumentali.

DEFORMAZIONI INDOTTE DA SCAVI A CIELO APERTO
La realizzazione di scavi a cielo aperto, ad esempio per la costruzione delle stazioni delle metropolitane o dei parcheggi sotterranei, in prossimità di edifici ne possono causare il danneggiamento,come conseguenza dei cedimenti che si verificano a monte dell’opera di sostegno dello scavo. Il profilo dei cedimenti dipende dalle condizioni geotecniche e idrogeologiche, dal tipo di struttura di sostegno e dall’accuratezza della messa in opera.

TECNICHE DI INTERVENTO
Le tecniche di intervento geotecnico per migliorare le condizioni di stabilità di un’opera monumentale possono essere divise in quattro classi (Calabresi e D’Agostino, 1997):

A. Inserimento nel terreno di elementi strutturali (pali, micropali, ancoraggi, sottofondazioni,etc..) allo scopo di modificare la distribuzione delle tensioni nel sottosuolo trasferendo parte dei carichi a strati di terreno più rigidi e resistenti.
B. Modifica delle proprietà del terreno mediante iniezioni chimiche e/o cementizie, trattamenti elettro-osmotici, gettiniezione etc.., o rinforzo delle fondazioni in muratura o in legno esistenti.
C. Modifica dello stato di tensione nel sottosuolo mediante variazione delle pressioni interstiziali o applicazione di carichi esterni, o mediante estrazione di piccoli volumi di terreno in punti prescelti o iniezioni di miscele non permeanti al fine di produrre deformazioni imposte del terreno e cedimenti controllati della struttura.
D. Ripristino e conservazione delle condizioni iniziali del terreno e delle strutture mediante controllo ambientale eseguito sul contenuto in acqua del terreno e delle murature, o anche con la protezione delle strutture in legno dalle azioni batteriche.

L’impatto della tecnica di intervento sulle condizioni originarie del Sistema Sottosuolo-Monumento decresce progressivamente passando dalle tecniche di classe A) a quelle di classe D), e quindi, in base al principio generale di autenticità, dovrebbe essere esaminata la possibilità di utilizzarle nell’ordine inverso di esposizione. Tuttavia l’esperienza dimostra che ciò non avviene, essendo le tecniche di classe A) di gran lunga le più utilizzate, sia per la loro presunta maggiore efficacia,affidabilità e semplicità esecutiva, sia per motivi economici. Fra le tecniche di intervento di classe A) sono particolarmente utilizzati gli allargamento e/o approfondimenti della fondazione superficiale e le sottofondazioni con pali o micropali.

SOTTOMURAZIONE E/O AMPLIAMENTO DELLA BASE D’APPOGGIO DELLA FONDAZIONE
La sottomurazione, che ha lo scopo di approfondire la quota di trasmissione del carico per raggiungere strati di terreno con migliori caratteristiche di resistenza e/o di rigidezza, o per sottrarre la zona di posa della fondazione all’azione di agenti esterni superficiali, è di norma eseguita con mattoni e malta cementizia o con calcestruzzo, in brevi tratti successivi in direzione orizzontale, in modo da non pregiudicare la stabilità dell’opera. I principali limiti della tecnica di sottomurazione derivano dal fatto che la mobilitazione della resistenza del terreno di fondazione avviene solo a prezzo di ulteriori cedimenti, e che comunque la sottomurazione non può estendersi al di sotto del livello di falda.

SOTTOFONDAZIONE CON MICROPALI
Per trasferire il carico trasmesso dalla fondazione a strati di terreno ancora più profondi si utilizza la sottofondazione con pali (ormai raramente utilizzati) o con micropali, collegati con la struttura di fondazione originaria. I micropali sono pali trivellati di piccolo diametro (8 ≤ d ≤ 25cm), realizzabili anche con notevole inclinazione rispetto alla verticale e con attrezzature di ingombro e peso molto ridotti. La possibilità di disporli comunque orientati e inclinati consente di diffondere il carico trasmesso dalla struttura ad un ampio volume di terreno, mentre il piccolo ingombro delle attrezzature ne consente la realizzazione anche da locali interni di strutture esistenti. I tipi più diffusi di micropali sono i pali Radice e i pali Tubfix. I pali Radice, ideati dall’ing. Lizzi e brevettati dall’Impresa Fondedile di Napoli negli anni ’50, ebbero grandissima fortuna in tutto il mondo nella seconda metà del secolo scorso. Essi sono pali trivellati con una colonna di tubi muniti all’estremità di una corona tagliente, L’asportazione dei detriti di perforazione avviene mediante circolazione di un fluido (acqua o fango bentonitico).L’armatura è costituita di norma da un’unica barra d’acciaio ad aderenza migliorata e/o da una barra cava a filettatura continua. Durante il getto del calcestruzzo, che avviene dal basso verso l’alto con un tubo convogliatore, viene estratta la camicia metallica. Il calcestruzzo fluido è poi messo in pressione in modo da aderire perfettamente alle pareti della cavità. Attualmente i micropali più utilizzati sono i micropali Tubfix. L’esecuzione del micropalo Tubfix prevede l’introduzione di un’armatura tubolare d’acciaio di forte spessore in un foro eseguito per trivellazione, spesso con circolazione di fango bentonitici. Il tubo d’acciaio ha una serie di valvole di non ritorno disposte a interasse di 30-50 cm nel tratto terminale, in corrispondenza degli strati di terreno cui si intende trasferire il carico. In una prima fase, dalla valvola più profonda, viene iniettata una malta cementizia che, risalendo dal basso verso l’alto, occupa l’intercapedine tra la parete del foro e il tubo di armatura. In una seconda fase, è iniettata malta ad alta pressione attraverso ciascuna valvola, una per volta, dal basso verso l’alto. Ciò produce la rottura della guaina e la formazione di sbulbature di diametro tanto maggiore quanto più tenero è il terreno circostante. Per tale motivo la capacità portante del sistema palo-terreno dipende assai più dalle caratteristiche del micropalo che non da quelle del terreno. La perforazione del micropalo avviene attraversando la struttura da sottofondare, che pertanto risulta direttamente collegata per aderenza al micropalo. Se la muratura della fondazione è di bassa qualità si realizzano cordoli laterali collegati fra loro da staffe che attraversano la muratura.

INIEZIONI E JET-GROUTING
Fra le tecniche di intervento di classe B) vi sono i consolidamenti del terreno di fondazione a mezzo di iniezioni di fluidi permeanti e/o pregnanti e la tecnica del jet-grouting. L’iniezione è una tecnica che permette di modificare le caratteristiche di resistenza, deformabilità
e permeabilità di corpi solidi porosi, fessurati o che presentano grandi cavità, con l’immissione di adeguate miscele fluide (sospensioni, soluzioni o emulsioni) a mezzo di fori di piccolo diametro a pressione più o meno elevata. Poiché la miscela chimica è trasportata dall’acqua, da un lato occorre che abbia viscosità prossima a quella dell’acqua, dall’altra che la permeabilità del mezzo permeato (il terreno) non sia troppo bassa. E questo è il principale limite della tecnica, poiché di norma il terreno da consolidare è a grana fine (limi e argille) e quindi poco permeabile.

ESTRAZIONI CONTROLLATE DI TERRENO
Fra le tecniche di intervento di classe C) su singoli monumenti sono particolarmente significative le estrazioni controllate del terreno al fine di correggere i cedimenti differenziali della struttura.

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
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