SORELLA RESINA SALVA SAN FRANCESCO
Alberto Balsamo

     
Riceviamo e pubblichiamo volentieri un articolo dell’Ing. Alberto Balsamo che ha partecipato all’operazione di messa in sicurezza delle volte della Basilica di S. Francesco di Assisi danneggiate dal sisma dello scorso anno. L’articolo è emblematico per il ruolo determinante giuocato dai materiali per il successo dell’operazione. In particolare, i materiali sintetici a base di polimeri (resina epossidica e tessuti di fibra aramidica), che non di rado vengono guardati con sospetto nel restauro dei Beni architettonici e monumentali, hanno in questo caso consentito di risolvere un caso disperato. In altre parole, "sorella resina" ha salvato S. Francesco (n.d.r.).


Fig. 1 - La Basilica di S. Francesco.

Venerdì 26 settembre 1997 : l’Umbria e le Marche sono devastate da decine di scosse di terremoto che provocano la morte di 11 persone, il ferimento di 126 , arrecando incalcolabili danni al patrimonio artistico.
In particolare, in diretta televisiva, si vedono crollare le volte della Basilica Superiore di San Francesco di Assisi (Fig. 1): il crollo della vela della volta prospiciente l’abside trascina con sè le testimonianze dell’affresco di Cimabue " San Matteo a Gerusalemme " , mentre il crollo della vela della prima campata e del sottarco che collega la vela con la controfacciata, distrugge in parte la prima esperienza di Giotto venticinquenne in Assisi.

E così l’immagine di " San Girolamo ed il monaco scrivente " facente parte della scena " Quattro Dottori della Chiesa Latina " affrescata da Giotto nel periodo che va dal 1290 al 1295 si polverizza causando la morte di due frati e di due tecnici della Soprintendenza impegnati a valutare l’entità dei danni ed a verificare la stabilità delle strutture a seguito delle prime scosse.
Mentre una sequenza infinita di scosse di assestamento sembra accanirsi contro la macchina dei soccorsi, tuttavia appare evidente che bisogna avviare immediatamente le opere per la messa in sicurezza delle volte finalizzate alla conservazione dell’intero apparecchio voltario con l’eliminazione del pericolo di nuovi crolli che comporterebbero ulteriori gravissime perdite all’inestimabile patrimonio artistico e propedeutiche, per ovvi motivi di sicurezza, all’esecuzione sia del puntellamento dal basso dell’intera Basilica Superiore sia degli ulteriori interventi definitivi di recupero e restauro.
Bisogna però preventivamente " esaminare " da vicino le volte per meglio valutare i danni, interpretare il meccanismo del collasso delle parti crollate e definire le tecniche d’intervento. A tal fine viene realizzata una passerella sospesa in tubi metallici, ancorata alla copertura, che corre lungo l’asse centrale della Basilica Superiore ed alla quale si accede attraverso un’apertura d’emergenza praticata nel rosone posto nel timpano della parete frontale. Questa passerella consente un’agevole ispezione delle volte e delle strutture della Basilica Superiore e si rivelerà di vitale importanza per il buon esito dell’operazione recupero.
Sin dai primi sopralluoghi è stato possibile formulare le prime ipotesi circa il meccanismo che ha portato al collasso delle volte.
Esisteva infatti un’enorme quantità di materiale di riempimento, accumulato attraverso i secoli, in corrispondenza delle zone delle imposte e delle reni delle volte stesse e, più precisamente, nelle zone immediatamente adiacenti alle murature perimetrali. Il verificarsi dell’evento sismico ha generato delle azioni dinamiche le cui componenti orizzontali, dirette perpendicolarmente all’asse della Basilica, hanno " eccitato " il materiale di riempimento ( a consistenza sciolta e privo di coesione ) che ha " investito " l’impianto voltario producendo una distribuzione di pressioni di elevatissima intensità in corrispondenza dei fianchi delle volte stesse. Poichè le forze indotte dal sisma cambiano continuamente la direzione durante il verificarsi dell’evento, tali pressioni hanno interessato alternativamente i due fianchi delle volte, generando forti flessioni ed alterando la curvatura sia delle volte che delle nervature che le sostengono.
Peraltro è stato possibile comprendere le motivazioni strutturali che hanno portato al crollo delle due volte. Infatti, nell’ambito dell’insieme strutturale, durante l’evento sismico si generano una serie di cimenti dinamici supplementari in corrispondenza delle parti strutturali poste nelle zone di transizione tra elementi dotati di maggiore e minore rigidità: in particolare la facciata ed il transetto costituiscono due punti più rigidi rispetto alla navata e pertanto le volte immediatamente a contatto con essi sono drammaticamente collassate per gli effetti derivanti dagli sforzi locali supplementari ascrivibili al loro posizionamento.
Il 22 ottobre 1998, con il tempismo richiesto, si inizia la delicatissima fase di " assicurazione " del sistema voltario.
L’intervento è stato articolato secondo tre direttrici operative sviluppate contemporaneamente :

  1. rimozione del riempimento, risarcitura delle lesioni
  2. " legatura " delle parti in avanzata fase di distacco ad immediato pericolo di crollo con placcaggi in materiale composito
  3. sospensione delle zone critiche delle volte agli arconi in muratura della copertura.

Inizialmente si è proceduto alla rimozione manuale del riempimento accumulato nei secoli , verificando puntualmente l’epoca dei vari strati, recuperando tutti i reperti significativi e provvedendo complessivamente ad alleggerire le volte di circa 1.000 tonnellate di materiale sciolto presente per l’intera Basilica. Quindi è stata eseguita la risarcitura delle volte dell’intero apparecchio voltario che presentavano un esteso quadro fessurativo caratterizzato da un progressivo ampliamento delle lesioni e che indicavano un’evoluzione continua dei fenomeni di rottura. Per questa operazione è stata utilizzata una malta premiscelata con prestazioni meccaniche simili alle malte in uso nel passato, a basso contenuto di sali, ed insensibile alle aggressioni chimiche e fisiche (i solfati in particolare). L’intervento è stato eseguito dall’Impresa Lunghi di Santa Maria degli Angeli (PG).

Per l’intervento di "legatura" delle parti in avanzata fase di distacco si è pensato di far ricorso all’adozione dei placcaggi in materiale composito, in alternativa ai materiali a base cementizia, con l’utilizzo di una moderna tecnologia di "legatura" e di "sospensione" con impiego di materiali compositi fibrosi (fiber reinforced polymer, FRP), la cui efficacia è stata confermata dalla risposta fornita a seguito degli eventi sismici successivamente avvenuti e che ha consentito il superamento di complesse problematiche quali:

  • la necessità di assicurare immediatamente l’unghia della volta crollata nella prima campata che si protendeva pericolosamente nel vuoto per parecchi metri senza più agganci;
  • l’affresco sottostante doveva essere assolutamente protetto da eventuali residui di lavorazione, nonostante l’unghia della volta presentasse in più punti fessure, anche passanti, che avrebbero potuto favorire percolazione di materiale all’estradosso;
  • evitare la bagnatura preventiva del supporto (estradosso delle volte) e quindi le indesiderate conseguenze ad essa collegate (dilavatura, attivazione dei fenomeni chimici ormai stabilizzati, pericoli concreti per il sottostante affresco);
  • le tecniche di consolidamento non potevano assolutamente arrecare aumento significativo del peso delle strutture;
  • era impraticabile ogni intervento che procurasse ulteriori stress al precario organismo strutturale con l’applicazione di ancoraggi meccanici di qualsivoglia natura, pena il distacco e la caduta in basso di parti della volta e del relativo affresco;
  • la definizione del tipo di intervento e la relativa esecuzione dovevano necessariamente avvenire "ad horas", utilizzando materiali con tempi di presa ridottissimi in guisa da assicurare un presidio statico di efficacia rapida.

Le fasce di materiale composito, realizzate con tessuto multiassiale in fibre aramidiche combinato con resine per incollaggi strutturali, sono state disposte in funzione del quadro fessurativo consentendo sia l’ancoraggio delle unghie parzialmente crollate e sia la messa in sicurezza dell’intero sistema delle volte.
Sotto il profilo tecnologico, i vantaggi dell’utilizzazione dei materiali compositi fibrosi (materiali di nuova generazione composti da fibre continue ad alta resistenza immerse in matrici polimeriche ) per il rinforzo, il ripristino, il restauro o l’adeguamento sismico di elementi strutturali in muratura, derivano dalle elevate capacità meccaniche associate alla leggerezza ed alla durabilità, dalla resistenza alle aggressioni derivanti dalla presenza di agenti chimici, nonché dall’insensibilità all’acqua.
Inoltre i materiali compositi, a fronte della scarsa reversibilità dell’acciaio, sono perfettamente reversibili attesa la possibilità di rimuovere le sostanze adesive che assicurano la trasmissione degli sforzi; tale caratteristica, associata alla capacità di non defunzionalizzare l’opera, attesa l’applicazione non invasiva, risulta particolarmente interessante sotto il profilo architettonico con riferimento ad edifici di interesse monumentale.
Con riferimento alla applicazione particolare di cui qui si parla, il materiale composito costituito da fibre aramidiche e resina epossidica (le fibre aramidiche sono impregnate in resina epossidica secondo il rapporto percentuale medio: 50% fibra - 50% resina epossidica) è quello che ha fornito i risultati più soddisfacenti nell’ambito degli studi condotti nella direzione del consolidamento delle murature.
La fibra aramidica è costituita da un polimero lineare nel quale almeno l’85% dei legami ammidici sono attaccati direttamente a due anelli aromatici, come una poliammide sintetica a catena lineare.
Le fibre aramidiche sono caratterizzate da un più basso valore del modulo di elasticità tangenziale rispetto all’acciaio, a fronte di un valore della resistenza ultima sensibilmente maggiore. Il valore ridotto del modulo di elasticità tangenziale nei confronti di quello dell’acciaio, lungi dal rappresentare una limitazione, costituisce un elemento preferenziale per il connubio materiale composito a base di fibra aramidica - muratura e ciò in quanto si riduce lo scarto rispetto al modulo elastico del materiale da consolidare (muratura).
In armonia agli studi condotti, sono stati utilizzati tessuti multiassiali in cui le fibre nel tessuto non sono intrecciate bensì adagiate nelle varie orientazioni. Le fibre sono adagiate in strati a diverse orientazioni (0° / 90° / + 45° / - 45°) ed a peso variabile; il tutto trattenuto da una legatura a tricot o a catenella con un filato poliestere molto sottile.
Questa soluzione permette alle fibre di non essere sottoposte alla sollecitazione dei nodi, come nella costruzione dei tessuti intrecciati, mantenendo così inalterata la loro resistenza, infatti quando un carico viene trasmesso lungo le fibre con nodi di tessuto intrecciato, automaticamente si provoca una concentrazione di sollecitazioni causata dai nodi stessi e la resina.
Inoltre è stata dimostrata la quasi isotropica natura del tessuto quadriassiale non intrecciato che esalta la performance dello stesso in ogni direzione; ciò incrementa sia la resistenza meccanica che la resilienza.
Per quanto attiene l’aspetto esecutivo, sulle volte della Basilica di S. Francesco e’ stato adottato un sistema costruttivo che prevede la realizzazione in opera delle fasce di composito per larghezze variabili e fino a circa 70 cm. e con lunghezza modulata dalle necessità statiche sfruttando le elevate caratteristiche di modellabilità ed adattabilità a forme complesse. Ciò ha consentito il superamento delle limitazioni connesse all’adozione dei profili a nastro preimpregnati realizzati fuori opera che , tra altro, hanno larghezze piuttosto contenute e limitata adattabilità a forme complesse.
Le fasi di lavorazione sono state sostanzialmente le seguenti:


  • pulizia dell’estradosso delle volte con asportazione delle polveri e del materiale incoerente in guisa da predisporre un perfetto supporto per la fase successiva;
  • identificazione delle lesioni e studio della relativa mappatura al fine di pianificare e determinare il numero, la disposizione e la grammatura ideale delle fasce di rinforzo;
  • stesura a pennello di un appretto con resina fluida avente la funzione di inglobare le particelle di polvere che comunque si formano continuamente sul supporto;
  • applicazione a spatola di un adesivo epossidico a consistenza tissotropica per incollaggi strutturali dato a spatola;
  • applicazione delle fasce di rinforzo, costituite da strisce di larghezza variabile tra i 20 ed i 30 cm in tessuto in fibra aramidica avente grammatura variabile tra i 230 g/m2 ed i 340 g/m2, sulla superficie resa così coerente e sufficientemente piana (Fig. 2).


Fig. 2 - Applicazioni delle fasce di rinforzo
in fibra aramidica.


Fig. 3 - Piastre di fibra aramidica, tirantatura e molle per la sospensione delle volte alle travi di copertura.

Tutte le fasce sono state opportunamente orientate in virtù degli assi di riferimento secondo le linee di frattura e di forza individuate e per ognuna di esse è stata scelta la grammatura ideale.
Infine, per rendere possibile la realizzazione della "sospensione dell’intero sistema voltario" alle travi in c.a. della copertura, è stata prevista la costruzione di una serie di piastre, sempre in materiale composito, rese solidali alle volte e collegate con tirantature in acciaio e molle (Fig.3).
Ciascuna piastra (dim. 600 x 600 mm) è stata realizzata necessariamente in opera, data la diversità di ognuna di essa dalle altre per effetto della diversa conformazione del sito di incollaggio e del corretto orientamento secondo l’asse di tiro. E’ stato impiegato materiale composito utilizzando il tessuto in fibra aramidica multiassiale e la combinazione di due resine epossidiche: una fluida e l’altra in pasta a consistenza tissotropica.
L’intervento dei placcaggi con l’uso del materiale composito è stato realizzato dalla SACEN di Napoli, con la consulenza tecnica dell’autore di questo articolo.
I materiali (malta premiscelata e resine epossidiche) sono stati forniti dalla Mapei di Milano.
Tutti i lavori sono stato eseguiti secondo le indicazioni dei responsabili del progetto (A. Paolucci, C. Centroni, G. Croci e P. Rocchi).