Interazione tra diverse tecniche di prova e livello di conoscenza delle indagini micro-sismiche,

il caso del Palazzo Ducale di Venezia

I. Aldreghetti, G. Boscato, A. Danese, L. Massaria, A. Sperduti Università Iuav di Venezia - Laboratorio di Scienza delle Costruzioni, via Torino 153°

30172 Mestre Venezia, tel. 041 5322590, fax 041 5312988, gboscato@iuav.it Parole chiave: edifice storici, prove soniche, modulo elastico dinamico

Key words: historical building, sonic test, dynamic elastic modulus SOMMARIO Le indagini micro-sismiche costituiscono un importante strumento conoscitivo del tipo non distruttivo dello stato di conservazione degli edifici storici. L’eterogeneità del materiale e le diverse tecniche costruttive delle murature delle strutture monumentali non permettono di definire una procedura di indagine di supporto e quindi di codificare un processo conoscitivo di interpretazione e di analisi dei risultati sperimentali. In alcuni casi l’inevitabile aleatorietà delle informazioni ricavate può altresì essere controllata e ridotta attraverso un approccio che mette in relazione diverse tecniche di indagine, (1). L’analisi vibrazionale delle onde elastiche può essere affinata, migliorando complessivamente il livello di conoscenza, se eseguita per lo stesso brano di muratura con tecniche diverse. Il caso studio analizzato nella presente ricerca ha permesso una campagna sperimentale completa e complessa di interazione tra diverse tecniche su una porzione di muratura del Palazzo Ducale di Venezia. La specificità del caso in esame nasce dalla diversa stratificazione della sezione muraria; il particolare interesse è dovuto ai due strati costituenti strutturalmente coattivi, rivestimento (pietra) e muratura portante (malta-mattoni). Lo studio è parte di un ampio programma di monitoraggio della durata di tre anni sullo stato di conservazione dei paramenti murari del Palazzo Ducale gestito in modo interdisciplinare (Petrografia, Geotecnica, Scienza e Tecnica delle Costruzioni, Restauro, Fotogrammetria) da un gruppo di professori e ricercatori dell’Università Iuav di Venezia che afferiscono all’Unità di Ricerca denominata CdSM – Controllo delle Strutture Monumentali. INTRODUZIONE Il caso che è stato analizzato è quello del Palazzo Ducale, uno tra gli edifici storici più rappresentativi del patrimonio italiano e dell’umanità, sito in un contesto urbano molto caratteristico e delicato quale la città lagunare di Venezia. Il progetto di conservazione degli edifici monumentali richiede inevitabilmente una strategia molto approfondita di intervento ed un approccio multi disciplinare. A seguito del distacco di una pietra del paramento esterno è stata inevitabile la messa appunto di un programma di controllo; affinchè sia garantita la salvaguardia dell'edificio e del pubblico interesse diventa necessario un monitoraggio estensivo delle due facciate medievali, finalizzato all'individuazione delle cause di degrado e dei processi di

deterioramento in atto che interessano sia il rivestimento lapideo sia le strutture portanti di muratura. Il gruppo di ricerca "Controllo delle Strutture Monumentali" dell'Università IUAV di Venezia guiderà l'intera fase di raccolta delle informazioni, rilievi, prove in sito micro distruttive e non e monitoraggio, che condurranno all'elaborazione di un modello sperimentale di comportamento del sistema di facciata e dell'intera struttura che sarà sottoposto a successive prove in laboratorio (2). La procedura di controllo integrato consiste in diverse fasi, relative agli specifici settori: • Analisi delle principali modifiche e precedenti interventi di restauro; • analisi geotecnica delle fondazioni e dell’interazione suolo-struttura; • monitoraggio statico e dinamico a lungo termine; • monitoraggio a breve termine sulla base del rilievo degli spostamenti effettivi di alcuni

punti chiave e di elementi strutturali. La conoscenza dei dati storici e geometrici è preliminare alla scelta dei punti di applicazione delle indagini non distruttive e micro distruttive;

• modellazione numerica della struttura e/o di sue parti, sulla base dei dati raccolti nelle fasi precedenti;

• elaborazione di Linee Guida di supporto per gli interventi di conservazione/restauro e monitoraggio a lungo termine.

INQUADRAMENTO STORICO E TECNOLOGIA COSTRUTTIVA Per capire le dinamiche che hanno portato allo stato attuale di conservazione del Palazzo Ducale è necessario compiere uno studio storico del manufatto (2, 3). L’edificio è composto da tre corpi principali che delimitano un quadrilatero, Figura 1. Il corpo sud (lato bacino S. Marco, Figura 2) fu iniziato nel 1340 e terminato nel 1366. Dopo un intervallo di mezzo secolo, la costruzione riprese nel 1424 con l’edificio ovest (lato Piazzetta S. Marco). Lo schema della facciata di quest’ultimo è lo stesso dell’edificio sud: un basamento su due livelli, dell’altezza complessiva di 13,70 m, caratterizzato dal portico e dalla loggia superiore con archi di luce dimezzata; una facciata con rivestimento lapideo policromo continuo con un motivo a losanghe, alta 12 m ed interrotta da ampie finestre originariamente trifore; un fregio di coronamento definisce infine il livello della copertura. Il 20 dicembre del 1577 un incendio distrusse il soffitto delle sale principali, arrestandosi al lato est della Sala del Maggior Consiglio; il progetto di restauro fu assegnato ad Antonio Da Ponte. L’edificio è stato oggetto di numerosi restauri nei suoi secoli di vita, in particolare durante la dominazione austriaca. Le facciate hanno subito interventi soprattutto alla fine del XIX secolo (1876-1890) da parte dell’ing. Annibale Forcellini, che rivolse attenzione soprattutto agli elementi strutturali del portico e della loggia, inserendo tiranti d’acciaio e rimuovendo le presenze di alcuni restauri precedenti.

Figura 1- Pianta piano nobile e sezione trasversale

Figura 2- Foto lato bacino

Le due facciate medioevali di Palazzo Ducale, si sviluppano su un’altezza di 11,16 metri circa e sono costituite da murature di mattoni pieni dello spessore di 90,0 cm, rivestite all’esterno da un paramento lapideo dello spessore variabile da 7,0-8,0 a 15,0 cm. Il disegno viene definito dall’alternanza degli elementi di pietra d’Istria, di rosso di Verona e di lastre di marmo colorato utilizzate per le croci interne ai quadroni. Tutti i conci hanno altezza costante di 15,5 cm, larghezza variabile di 15,5, di 31,0 o di 47,0 cm circa; i conci di pietra d’Istria, con funzione di chiavi, raggiungono i 24,0-25,0 cm di profondità. Il tessuto lapideo realizzato risulta omogeneo e continuo grazie alla presenza di giunti di 1-3mm di spessore, (2). Gli aspetti tecnologici delle facciate non sono ancora chiari, pur essendo confermato il ruolo dei conci di pietra d’Istria nel sopportare l’impegno strutturale dei carichi del rivestimento sulla muratura stessa attraverso gli elementi in chiave. La Figura 3 mostra

l’ipotesi schematica strutturale della muratura in facciata (3) e il dettaglio del restauro eseguito con evidenziati i conci di Pietra d’Istria -1- e del Rosso di Verona -2-.

Figura 3- Schema della struttura della facciata (Romanelli 2004), dettaglio restauro.

Il rivestimento è stato realizzato per proteggere l’estesa superficie muraria dalle condizioni sfavorevoli dell’ambiente lagunare. L’obiettivo è stato conseguito con la realizzazione del paramento lapideo costituito da elementi che seguono la tessitura muraria – malta e mattoni - retrostante, l’altezza di ogni elemento corrisponde a due corsi di mattoni (3). Gli interventi di restauro eseguite fino ad oggi hanno definito la natura e lo stato di conservazione delle pietre di rivestimento, principalmente pietra d’Istria, una pietra calcarea molto pura e compatta e broccato rosso di Verona. Le croci decorative sono materiali di origine greca, microasiatica, alabastri italiani e marmi di Carrara. Tutti questi litotipi hanno diverse caratteristiche fisico-meccaniche e di conseguenza una diversa morfologia del degrado. Si conosce molto poco la struttura e la composizione delle murature di mattoni dietro il rivestimento lapideo, per questo motivo prima di procedere con carotaggio, le indagini micro-sismiche hanno permesso di dare una prima valutazione qualitativa sul pacchetto muratura e di definire dei primi parametri meccanici di riferimento, (2). INDAGINE SPERIMENTALE La prima fase delle prove non distruttive eseguite in situ permettono di definire una conoscenza di base sullo stato di conservazione dei paramenti murari e delle prime indicazioni sul comportamento strutturale della muratura, (4). In riferimento al primo approccio le prove soniche sono state eseguite secondo la griglia definita dalla tessitura modulare del paramento murario per le tre zone monitorate, evidenziate con L1, L2 e L3 (Figura 4).

Figura 4. Griglia e dettaglio della posizione di L1, L2 e L3 (lato bacino S. Marco).

L’indagine superficiale fornisce delle informazioni sulla velocità dell’onda sonica indotta dal martello strumentato e rilevata attraverso la muratura dall’accelerometro posizionata sulla stessa superficie. Le diverse misurazioni sono state eseguite considerando lo stesso numero di giunti e il tipo di pietra attraversata dall’onda sonica al fine di confrontare risultati con la stessa configurazione. Tale metodologia permette di individuare l’incidenza sul segnale delle differenze di materiale e delle irregolarità – giunti e/o difetti – sul tempo di volo e sull’attenuazione, (5, 6, 7). Per le tre zone analizzate la Figura 5 confronta le diverse velocità dell’onda sonica rispetto alla direzione orizzontale e verticale, come mostrato in Figura 5.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

20-130.775m

28-50.775m

21-121.085m

27-61.085m

22-111.395m

26-71.395m

23-101.705m

25-81.705m

24-92.015m

punti e distanze delle mizurazioni orizzontali

velo

cità

(m/s

ec)

L1L2L3

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

27-210.93m

6-120.93m

28-201.24m

5-131.24m

29-191.55m

4-141.55m

1-171.86m

3-151.86m

0-182.17m

punti e distanze delle misurazioni verticali

velo

cità

(m/s

ec)

L1L2L3

Figura 5. Velocità delle misurazioni orizzontali e verticali Complessivamente, escludendo i valori prossimi a 6000m/sec, è evidente che per ogni modulo analizzato, l’intervallo dei valori delle velocità è compreso tra 1000 e 4000 m/sec. Nel dettaglio per L1 il valore medio è circa 3200 m/sec per la direzione verticale e orizzontale, mentre per L2 e L3 i valori sono inclusi tra 1000 e 200 m/sec. I valori dei materiali di riferimento sono 5200 m/sec e 5800 m/sec, rispettivamente del calcare e del marmo. Per quanto riguarda le prove dirette (in trasparenza), la metodologia adottata – battute esterne (pietra), ricezione del segnale interna (malta mattoni) e viceversa – garantisce una

verifica dell’attendibilità dei valori delle velocità di propagazione dell’onda vibrazionale. L’indagine in trasparenza è stata condotta nel brano murario evidenziato in Figura 6 considerando una griglia d’analisi determinata dall’articolata tessitura del paramento esterno e, quindi, conseguentemente riportata all’interno, Figura 6.

Figura 6. Porzione di muratura indagata, esterna e interna Come evidenziato dall’attenta ispezione visiva il brano murario indagato è caratterizzato da una fessura passante – la cui origine corrisponde al distacco della pietra - che rispetto all’esterno si sviluppa dalla pietra del nodo A0 al punto D2, come illustrato in Figura 7. Lo stesso quadro fessurativo è evidente anche nella tessitura muraria interna con origine sempre in corrispondenza del punto A0.

Figura 7. Griglia per prove dirette, esterna (sopra) ed interna (sotto)

Le mappature delle due tecniche adottate evidenziano la buona concordanza - perfettamente speculare - dei valori delle velocità registrate dell’onda sonica nell’attraversare lo spessore murario di 0.90m dalla sorgente emittente (martello manuale strumentato) alla sonda ricevente (accelerometro a bassa frequenza). La distribuzione delle velocità di propagazione dell’onda elastica individua i valori più alti in tre zone ben distinte come illustrato nelle Figure 8 e 9; le aree che individuano le zone con la qualità muraria migliore per omogeneità e compattezza del pacchetto muratura-paramento esterno sembrano dipendere dal perimetro più esterno della losanga costituito dai conci chiave di pietra d’Istria – supportando la teoria precedentemente riportata dei conci strutturali - e/o dal possibile andamento delle isostatiche di sollecitazione presenti nella fascia di piano sovrastante il finestrone indagato individuandone le zone di cimento diverso.

Figura 8. Mappatura delle velocità prove dirette, battuta interna

Figura 9. Mappatura delle velocità prove dirette, battuta esterna

DETERMINAZIONE DELLE COSTANTI ELASTICHE DINAMICHE Dai risultati delle prove soniche, dirette ed indirette in corrispondenza della losanga L2, è stato possibile determinare inoltre le costanti elastiche dinamiche che caratterizzano il brano murario indagato. Per il modulo elastico dinamico Ed abbiamo rispettivamente:

con γ = densità media della muratura (malta-mattoni e paramento muarario) uguale a 1767kg/m3; il coefficiente di Poisson dinamico νd è uguale a:

2

2

22

21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=

)V()V(

)V()V(

L

T

L

T

dν

con VT = velocità trasversale e VL = velocità longitudinale. Nelle Tabelle 1 e 2 si riportano i valori delle velocità longitudinali e trasversali della zona analizzata – con emittente interno ed esterno - e i relativi valori dinamici del coefficiente di Poisson e del modulo di elasticità.

Velocità di propagazione (m/s) Rapporto di Poisson dinamico

Modulo di Elasticità dinamico (MPa) Longitudinale VL Trasversale VT

994 576 0.2465 1914 2530 1467 0.2465 9463 4277 2481 0.2465 26592 5891 3416 0.2465 49988 7594 4404 0.2465 82842

Tabella 1. Velocità di propagazione e costanti elastiche, emittente interno

Velocità di propagazione (m/s) Rapporto di Poisson dinamico

Modulo di Elasticità dinamico (MPa) Longitudinale VL Trasversale VT

1214 704 0.2465 2275 2400 1392 0.2465 8639 4448 2579 0.2465 28733 5814 3372 0.2465 48549 7758 4499 0.2465 86179

Tabella 2. Velocità di propagazione e costanti elastiche, emittente esterno

)(VE dTd νγ += 12 2

CONCLUSIONI Le prime ricerche effettuate suggeriscono le seguenti conclusioni: • Dalla prima fase di monitoraggio si evince l’uniformità dei risultati forniti dalle prove

non distruttive indirette, nonostante le differenze nel numero di giunti intersecati e nel tipo di pietre; ciò dimostra la compattezza superficiale della tessitura lapidea della facciata.

• Le misurazioni della velocità indiretta dell’onda sonica porgono risultati molto diversi fra loro; il livello di velocità appare fortemente influenzato dalla funzione statica delle diverse porzioni di muratura in relazione alla posizione della finestra.

• Secondo l’indagine sonica diretta la connessione fra la struttura interna di muratura e i possibili conci chiave del rivestimento lapideo esterno appare tuttora efficiente.

• Dal punto di vista dell’attendibilità delle prove dirette eseguite possiamo dire che per la distribuzione delle velocità registrate per mezzo delle due diverse tecniche – battute interne ed esterne – le mappature sono pressoché simili nonostante una riduzione di circa il 30% delle alte velocità di propagazione dell’onda della tecnica con battuta esterna rispetto alla tecnica con battuta interna. Tale osservazione è supportata anche dai valori delle costanti elastiche dinamiche.

RINGRAZIAMENTI Gli autori del presente lavoro ringraziano i tecnici Mario Celebrin, Italo Tofani e Giorgio Costantini - del Laboratorio di Scienza delle Costruzioni dell’Università Iuav di Venezia - per la loro collaborazione alla fase esecutiva delle prove non distruttive. BIBLIOGRAFIA 1. Concu, J., (2006), Indagini Sonica e Ultrasonica: Evoluzione nel Tempo e sviluppi Futuri, Convegno Nazionale su “Sperimentazione su Materiali e Strutture”, Venezia, 6-8 dicembre 2006. 2. D. Andreozzi, A. Barbieri, G. Boscato, A. Dei Svaldi, F. Guerra, A. Di Tommaso, L. Lazzarini, G. Mirabella-Roberti, F. Peron, G. Riva, S. Russo, L. Scappin, F. Sciarretta & B. Zan, (2009), Integrated control in monitoring historic buildings: the case of wall structures of Palazzo Ducale in Venice, Prohitech, 21-24 june 2009, Rome 3. G. Romanelli (ed.) 2004. “Palazzo Ducale. Storia e restauri.” Verona: Banco Popolare di Verona e Novara. 4. Gallino, N., (2004), Contributo delle indagini sperimentali alla conoscenza degli edifici storici in muratura, Tesi del Dottorato di Ricerca in Materiali e Strutture per l’Architettura, Università degli Studi di Firenze. 5. Cianfrone, F., (1993), Indagini microsismiche e ultrasoniche, Atti del Seminario “Sperimentazione su Strutture”, Venezia, 12-13 febbraio 1993, AICAP, Roma. 6. Di Tommaso, A., Pascale, G., (1993), Analisi microsismiche per la diagnosi di elementi strutturali in marmo, Atti del 7° Congresso Nazionale AIPnD, pp. 435-448, Ferrara, 3-6 ottobre 1993. 7. Pascale, G., (2008), Diagnostica a ultrasuoni per l’edilizia, Dario Flaccovio Editore.