I DISSESTI degli archi in pietra e mattoni
Terzo post della serie sugli ARCHI in pietra o mattoni: dopo aver esaminato l’uso degli archi nella costruzione degli edifici, le loro differenti tipologie e l’evoluzione dal sistema trilitico all’arco di pietre conce, oggi analizzamo in dettaglio i dissesti più ricorrenti.
I DISSESTI degli archi in pietra e mattoni
Come qualsiasi altro elemento costruttivo e struttura portante, anche gli ARCHI sono spesso soggetti a dissesti di varia entità, quasi sempre risolvibili con opportuni procedimenti.
I dissesti più ricorrenti sono dovuti a:
- Allontanamento reciproco delle imposte
- Abbassamento di una delle imposte
- Carichi eccessivi
- Fenomeni di instabilità
Che si traducono in due meccanismi di rottura fondamentali:
- Rottura a flessione
- Rottura a taglio
Rottura a FLESSIONE
Il meccanismo di rottura a flessione è generalmente causato dall’allontanamento e/o abbassamento reciproco delle imposte negli archi liberi, cioè non confinati dentro una muratura. In questi casi l’arco può infatti modificare la propria geometria, adattandola alla nuova configurazione strutturale.
Si manifesta tipicamente con la perdita di geometria dell’arco e la formazione di tre cerniere plastiche, la cui posizione è strettamente correlata alle cause del dissesto:
Allontamento reciproco delle imposte – Si verifica generalmente in due casi: negli archi poggianti su una parete soggetta a rotazione o spanciamento, e durante una scossa di terremoto perché le due imposte tendono a oscillare in modo asincrono.
Le cerniere plastiche si formano in corrispondenza dell’estradosso della chiave e dell’intradosso delle reni: le corrispondenti lesioni compaiono quindi all’intradosso della chiave e all’estradosso delle reni. Il meccanismo è particolarmente evidente in questo modellino didattico in conci di legno (Foto 1), mentre in un caso reale il quadro fessurativo è di interpretazione più difficile.
É un dissesto generalmente poco pericoloso e potenzialmente reversibile, perché nel caso di un arco libero spesso si riesce a ricostituire la geometria originaria e ristabilire la continuità tra i conci. L’arco rimane in equilibrio finché le tre cerniere plastiche si mantengono a quote diverse: è il classico schema isostatico dell’arco a tre cerniere. Non appena tuttavia le tre cerniere si allineano l’arco collassa.
Abbassamento di una delle imposte – Si verifica in caso di cedimento localizzato del terreno e/o delle fondazioni.
Il quadro fessurativo è simile al caso precedente, ma in corrispondenza dell’imposta che si è abbassata la cerniera plastica risulta meno evidente o addirittura invisibile, come si nota nel modellino didattico (Foto 2).
Anche in questo caso il dissesto non è molto pericoloso, ma ripristinare la situazione iniziale risulta decisamente più arduo.
Instabilità per carico concentrato – Se una volta o un arco libero vengono sottoposti a un carico concentrato asimmetrico, cioè non in asse rispetto alla chiave, può innescarsi un dissesto molto pericoloso: l’instabilità del campo centrale dovuta al momento in chiave. Il dissesto si manifesta con la perdita localizzata della geometria originaria e la formazione di tre cerniere plastiche, disposte come nella rottura per allontanamento delle imposte (Foto 3): compare quindi una lesione all’intradosso a metà della porzione deformata.
Rottura a TAGLIO
Negli archi di parete, cioè ad esempio gli archi di porte e finestre, il meccanismo di rottura più diffuso è quello per taglio: infatti, poiché l’arco non può deformarsi a causa delle presenza della muratura, la curva delle pressioni tende a “risalire” all’interno della muratura (resistente a compressione) provocando la formazione di un arco di scarico naturale e il conseguente scorrimento e distacco dei conci dell’arco. Il dissesto si manifesta dapprima con il solo scorrimento verso il basso del concio di chiave (Foto 5) e successivamente con lo scorrimento reciproco di numerosi conci (Foto 6).
É un cinematismo irreversibile ed estremamente pericoloso, perché il collasso si verifica per uno spostamento inferiore al 5% della luce netta dell’arco.
RICONOSCERE IL DISSESTO di un arco
Riconoscere l’esatta natura del dissesto di un arco può essere molto difficile perché spesso tendono a sovrapporsi due o più fenomeni, generando quadri fessurativi atipici.
Esistono tuttavia numerosi indizi che, se interpretati correttamente, possono essere decisivi.
1) Si è probabilmente in presenza di un meccanismo di rottura a flessione per allontanamento reciproco delle imposte se un arco libero (come ad esempio un archetto di sbatacchio o un arco che sostituisce la trave maestra di un solaio) presenta un’evidente abbassamento del campo centrale (Foto 7) e contemporaneamente una lesione all’intradosso della chiave (Foto 8 – cerchio blu); mentre le lesioni in corrispondenza delle reni molto spesso non sono immediatamente percepibili.
2) Nel caso di meccanismo di rottura a flessione per abbassamento di una delle imposte il quadro fessurativo è lo stesso del caso 1, ma sia la deformazione dell’arco sia il quadro fessurativo sono asimmetrici e spesso l’abbassamento diventa visibile anche a occhio nudo.
3) L’instabilità parziale per carichi concentrati, più comune nelle volte, è evidenziata dalla perdita di geometria di una porzione molto ben definita di arco o volta e dalla formazione di un quadro fessurativo esattamente contrario a quello più tipico del meccanismo di rottura a flessione (Foto 9): le lesioni, corrispondenti ad altrettante cerniere plastiche localizzate, tendono infatti a prodursi in corrispondenza delle “reni” della porzione lesionata (cerchi).
4) Un meccanismo di rottura per taglio in fase iniziale è facilmente riconoscibile perché tende a coinvolgere solamente il concio di chiave, che nei casi più gravi mostra un deciso scorrimento verso il basso (Foto 14). Tuttavia occorre fare attenzione a non confondere questo fenomeno con una cerniera plastica: se la lesione riguarda un solo lato del concio in chiave si tratta di una cerniera plastica (Foto 10 e 11), se invece è visibile su entrambi i lati si è già attivata la rottura per taglio (Foto 12 e 13).
5) La rottura per taglio in fase avanzata si manifesta infine con lo scorrimento reciproco di vari conci lapidei, chiaramente percepibile anche a occhio nudo (Foto 15, frecce blu).
Foto 1 – Modellino didattico di arco a tutto sesto in conci di legno con rottura a flessione per allontanamento delle imposte: sono molto evidenti le cerniere plastiche e le corrispondenti lesioni all’intradosso della chiave e all’estradosso delle reni. Foto tratta da Giovanni Cangi, Manuale del recupero strutturale antisismico.
Foto 2 – Modellino didattico con rottura a flessione per abbassamento di una delle imposte: il quadro fessurativo è simile alla rottura a flessione per allontanamento delle imposte, ma in corrispondenza dell’imposta che si è abbassata la cerniera plastica è meno evidente o addirittura invisibile. Foto tratta da Giovanni Cangi, Manuale del recupero strutturale antisismico.
Foto 3 – Schema del dissesto per instabilità del campo centrale dovuto a un carico concentrato asimmetrico. Disegno tratto da Giovanni Cangi, Manuale del recupero strutturale antisismico.
Foto 4 – Modellino didattico con rottura a taglio in fase iniziale: il cinematismo causa dapprima lo scorrimento verso il basso del solo concio in chiave. Foto tratta da Giovanni Cangi, Manuale del recupero strutturale antisismico.
Foto 5 – Modellino didattico con rottura a taglio in fase avanzata: lo scorrimento verso il basso riguarda ormai numerosi conci. Foto tratta da Giovanni Cangi, Manuale del recupero strutturale antisismico.
Foto 6 – Arco libero con rottura a flessione per abbassamento di una delle imposte dovuta a un cedimento del terreno: sono molto evidenti la lesione all’intradosso della chiave (freccia rossa) e una delle lesioni all’estradosso delle reni (freccia rossa). Si noti inoltre che, a differenza di quanto succede per l’allontanamento delle imposte, il quadro fessurativo è asimmetrico. Foto dell’ingegner Fabio Murgia.
Foto 7 e 8 – Arco di mattoni con probabile dissesto per rottura a flessione: si notano molto bene l’abbassamento del campo centrale e la lesione all’intradosso della chiave (cerchio blu).
Foto 9 – Volta a botte con instabilità del campo centrale: sono molto evidenti la perdita di geometria localizzata e la lesione all’intradosso in mezzeria della porzione deformata (freccia verde).
Foto 10 e 11 – Arco a tutto sesto di parete con probabile meccanismo di rottura a flessione: è molto evidente il distacco del concio in chiave su un solo lato (cerniera plastica).
Foto 12 e 13– Archi di parete con meccanismo di rottura a taglio in fase iniziale: è evidente il distacco dei conci di chiave su entrambi i lati. Foto 12 dell’architetto junior Stefano Lancellotti.
Foto 14 – Arco di parete con rottura a taglio in fase iniziale: lo slittamento verso il basso del concio di chiave è molto evidente. Foto dell’architetto junior Stefano Lancellotti.
Foto 15 – Arco di parete con rottura a taglio in fase avanzata, con lieve scorrimento reciproco di vari conci della porzione sinistra (frecce blu).
Le fotografie dei dissesti del modellino didattico con conci di legno e lo schema del dissesto per instabilità del campo centrale sono tratte da Giovanni Cangi, Manuale del recupero strutturale antisismico.
Per alcune altre fotografie dei dissesti ringrazio invece di cuore l’architetto iunior Stefano Lancellotti (Foto 12, 14 e nel corpo del testo) e l’ingegner Fabio Murgia (Foto 6).