Indagini diagnostiche per la valutazione della vulnerabilità di strutture monumentali: il Castello di Sirmione

Come effettuare la valutazione strutturale degli edifici monumentali

L’analisi della sicurezza strutturale degli edifici esistenti in muratura, e degli edifici monumentali in particolare, costituisce un problema peculiare in quanto in molti casi tali edifici sono il risultato della stratificazione avvenuta nel corso del tempo di molteplici fasi costruttive.

La valutazione della vulnerabilità sia statica che sismica, infatti, richiede che la complessità dell’edificio venga ridotta ad un modello interpretativo tale da consentire di effettuare una corretta analisi strutturale, ottenendo sia un'interpretazione qualitativa che una valutazione quantitativa del comportamento del manufatto.

L'affidabilità del modello numerico dipende principalmente dal livello di conoscenza della costruzione in esame. L’attuale normativa italiana (Circ. 21/01/2019) evidenzia che è molto difficile raggiungere la conoscenza strutturale completa di un edificio; traccia quindi un «percorso di conoscenza» che può essere sviluppato a diversi livelli di approfondimento a seconda delle informazioni acquisite in fase diagnostica.

Tale percorso, applicato ai beni culturali, prevede le seguenti attività (D.P.C.M. 09/02/2011):

• rilievo geometrico;
• individuazione delle specificità storiche e costruttive dell'edificio;
• definizione delle proprietà meccaniche dei materiali;
• definizione del sistema di fondazione e suolo.

In base all'accuratezza dei risultati che è possibile ottenere dalle attività menzionate, vengono definiti diversi Livelli di Conoscenza (LC) dei parametri coinvolti nel modello corrispondenti a specifici Fattori di Confidenza (FC). Questi sono coefficienti di sicurezza variabili tra 1,00 e 1,35, che vengono utilizzati per ridurre le caratteristiche meccaniche dei materiali considerati nell'analisi strutturale.

Il caso-studio del Castello Scaligero di Sirmione (BS)

Viene nel seguito descritto il caso-studio del Castello Scaligero di Sirmione (BS) per il quale è stato possibile realizzare un'accurata campagna diagnostica che ha affrontato tutte le attività sopra individuate:

• l'analisi di documenti storici;
• l'ispezione visiva complessiva per individuare lo stato fessurativo;
• il rilievo degli schemi deformativi e delle discontinuità costruttive;
• il rilievo dei dettagli costruttivi e dello stato di conservazione dei materiali e delle strutture;
• la caratterizzazione meccanica dei materiali;
• la caratterizzazione del suolo.

Le informazioni raccolte sono state utilizzate per implementare un modello strutturale in grado di rappresentare la costruzione reale con un elevato livello di precisione e di conseguenza per ottenere la valutazione della vulnerabilità della costruzione.

Descrizione del complesso

Il Castello Scaligero di Sirmione (Fig. 1) è uno straordinario e molto complesso esempio di fortificazione lacustre la cui realizzazione, nella forma attuale, risale ai Della Scala, signori di Verona e di gran parte del Veneto dal 1259 al 1387.

Due livelli di mura con merli e rivellino definiscono tre cortili interni. Il cortile centrale è protetto da torri angolari di conformazione “scudata” e da un mastio alto 37 metri; addossato al muro settentrionale è ubicato un edificio in passato adibito a caserma.

I camminamenti di ronda corrono attorno ai quattro lati del cortile principale, attraversando le tre torri angolari. Sul lato est del castello, un perimetro murato forma una darsena a cui si accede direttamente dal lago.

Oggi il castello è gestito dalla Direzione regionale Musei Lombardia, che nel 2021 ha intrapreso un'ampia campagna di indagine e di monitoraggio.

L'obiettivo della campagna di indagine diagnostica

L'obiettivo è stato sia quello (generale) di verificare la vulnerabilità sismica dell'intero complesso sia quello (particolare) di progettare e realizzare uno specifico intervento di consolidamento dei ponti levatoi del rivellino sud, necessario per garantire la sicurezza del personale del museo e dei turisti.

Al fine di ottenere i valori quantitativi delle grandezze fisiche e meccaniche che servono per implementare il modello numerico globale del castello sono state utilizzate sia Tecniche Non Distruttive (NDT) - prove soniche, prove penetrometriche sulle malte, prove durometriche, prove penetrometriche sulle strutture in legno - che Tecniche Minimamente Distruttive (MDT) – prove con martinetto piatto e carotaggi continui ispezionati con videoendoscopia.

Le indagini diagnostiche realizzate ed i loro risultati

A cura della Direzione regionale Musei Lombardia è stato preliminarmente effettuato un rilievo geometrico laser scanner 3D che ha permesso di comprendere la geometria dell'edificio con un elevato livello di precisione, fondamentale per impostare il successivo percorso conoscitivo.

L’analisi della documentazione archivistica disponibile ha fornito informazioni fondamentali soprattutto in merito alle trasformazioni subite dal castello negli ultimi due secoli ed ha consentito di puntare l’attenzione su aspetti specifici che sono stati meglio approfonditi nella fase diagnostica.

Successivamente è stata effettuata un'ispezione visiva dettagliata dell'intera costruzione allo scopo di contestualizzare le informazioni preliminarmente acquisite ed individuare le diverse tipologie murarie, il livello di connessione tra pareti adiacenti, le discontinuità costruttive, il degrado dei materiali, l'andamento del quadro fessurativo e deformativo.

Sulla base delle informazioni ottenute è stato anche installato un sistema di monitoraggio strutturale (Fig. 2) per controllare l’evoluzione di alcune delle fessure più significative.

Le informazioni acquisite sono poi state sintetizzate in un report di ispezione redatto secondo uno schema standardizzato, ideato e messo a punto dagli autori nell'ambito di un progetto di ricerca europeo.

Campagna di indagine sulle murature

Sono stati individuati cinque tipi di muratura; quella più ricorrente è costituita da conci di calcare di dimensioni più o meno regolari, allettati con malta, intervallati ogni 1,5 m da due corsi di mattoni (muratura listata). Gli spigoli delle torri scudate sono realizzati con muratura in laterizio sagomata a “dente di sega” che per la sua geometria comporta un ottimo ammorsamento con la muratura delle specchiature adiacenti. Tale tecnica costruttiva, come pure l'assenza di ammorsamento tra le mura perimetrali e le torri d’angolo, sono caratteristiche tipiche dell'architettura scaligera; è importante la loro individuazione in quanto questi accorgimenti costruttivi hanno ovviamente una rilevante influenza sul comportamento complessivo della struttura.

Poiché le mura perimetrali prospettano sul fossato operatori subacquei hanno effettuato un rilievo fotografico allo scopo di individuare materiale, geometria e tecnica costruttiva del sistema fondazionale. Le informazioni ottenute sono state integrate con quelle ricavate dai carotaggi effettuati nelle murature di fondazione ed ispezionati mediante videoendoscopia.

È stato così possibile valutare che le fondazioni sono state realizzate secondo due apparecchiature ben distinte, una delle quali costituita mediante disposizione regolare di grandi conci squadrati omogenea lungo tutto lo spessore murario, che caratterizza la maggior parte delle strutture del castello e l’altra mediante disposizione irregolare di conci di dimensioni minori per i muri della darsena e l'accesso al borgo. Non è stato possibile osservare la presenza diretta di pali in legno di sottofondazione, ma nell’ambito dell’intervento di consolidamento dello storico ponte “scaligero” di accesso al borgo di Sirmione (che forma un sistema difensivo continuo con le mura del castello) gli autori hanno potuto rilevare la presenza di pali in legno che concorrono a costituire il sistema di sottofondazione (Fig. 2).

La caratterizzazione meccanica della muratura è stata effettuata mediante prove con un solo martinetto piatto (ASTM C 1196-09, 2009) e con due martinetti piatti paralleli (ASTM C 1197-09, 2009) che consentono di misurare lo stato tensionale locale e di determinare le caratteristiche di deformabilità della muratura in sito. Sono stati realizzati anche alcuni carotaggi finalizzati ad associare i risultati delle prove con martinetti piatti alle specifiche caratteristiche della sezione trasversale. I risultati sono stati ulteriormente estesi mediante prove non distruttive soniche e penetrometriche sui giunti di malta (Fig. 3).

Campagna di indagine per le strutture lignee e metalliche

Sui solai lignei del mastio è stata condotta una specifica ispezione visiva (UNI 11119:2004) integrata con semplici strumenti manuali (punzone e martello) per valutare lo stato di conservazione degli elementi strutturali e per rilevare crepe, fessurazioni, torsioni, presenza di carie e marcescenze e attacchi di insetti xilofagi. La valutazione dell'estensione del degrado e l'indagine di parti non direttamente osservabili (come le testate delle travi murate) è stata poi effettuata mediante prove resistografiche.

L'indagine è stata approfondita in particolare sulle strutture lignee e metalliche del rivellino, dove i risultati ottenuti hanno fornito i dati necessari per progettare e realizzare l’intervento di consolidamento previsto. In questa zona dell'edificio le attività diagnostiche sono state in parte effettuate operando con tecniche di accesso e posizionamento mediante funi (Fig. 3), che hanno consentito di ispezionare in modo ravvicinato gli elementi strutturali, soprattutto nei punti critici, senza necessità di installare ponteggi che avrebbero limitato la fruibilità del castello. Anche in questo caso dopo l’ispezione visuale, necessaria per identificare i materiali e valutarne lo stato di conservazione, sono state eseguite prove penetrometriche e durometriche, che hanno consentito di caratterizzare rispettivamente le strutture lignee e metalliche.

La valutazione della vulnerabilità del castello

La valutazione della vulnerabilità strutturale rispetto alle combinazioni di carico sismico è stata effettuata in conformità alla normativa (D.M. 17/1/2018).

Sulla base del rilievo geometrico è stato implementato un modello strutturale della costruzione; i risultati della campagna diagnostica sono stati integrati nello stesso associando a ciascun elemento specifiche proprietà meccaniche.

Il Livello di Conoscenza raggiunto ha consentito in questo caso di applicare un Fattore di Confidenza pari ad 1,15. Le dimensioni geometriche applicate al modello non necessariamente corrispondono a quelle degli elementi reali in quanto tengono conto della presenza di discontinuità costruttive, fessurazioni e connessioni reciproche.

Ad esempio, le torri scudate sono state modellate definendo due diversi materiali per l'angolo e la specchiatura centrale delle pareti e considerando la loro interazione, oltreché disconnettendole dalle mura adiacenti, in modo da valutare correttamente la possibilità di attivazione di meccanismi locali di collasso.

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Gli autori ringraziano la Direzione Regionale Musei Lombardia ed in particolare il direttore del Castello Scaligero di Sirmione Arch. Fulvio Roberto Besana, che ha consentito la divulgazione ai fini scientifici delle informazioni contenute nel presente articolo.