Rinforzare volte e cupole: tecniche di consolidamento strutturale

Le volte e le cupole in muratura sono elementi architettonici di grande valore storico e culturale, frequentemente presenti in edifici di pregio come chiese, palazzi storici e siti archeologici. La loro conservazione e messa in sicurezza richiede spesso interventi di rinforzo strutturale, resi necessari dall'insorgenza di dissesti e lesioni dovute all'azione del tempo, a eventi sismici, a cedimenti delle fondazioni o ad altre cause. 

In questo articolo analizzeremo nel dettaglio le problematiche relative al rinforzo di volte e cupole in muratura, partendo dalle loro caratteristiche costruttive e arrivando ai vari metodi di intervento utilizzabili. L'obiettivo è fornire a tecnici e imprese edili un sunto pratico per affrontare in modo corretto il consolidamento di queste importanti strutture. 

Le tipologie costruttive: archi, volte e cupole

L’arco è un elemento architettonico curvilineo spingente vincolato in due punti agli elementi verticali – piedritti o colonne – che assolve una funzione strutturale. Nella storia dell’architettura ha avuto un ruolo chiave nello sviluppo dell’edilizia e, quindi, della civiltà grazie alla possibilità di superare i limiti progettuali dovuti all’uso dei materiali tradizionali e ad altri sistemi costruttivi. 

I romani per esempio grazie all’uso dell’arco - importato dagli etruschi - sono riusciti a realizzare grandi opere civili e infrastrutturali. Si pensi alle basiliche, agli acquedotti, agli anfiteatri e così via. Opere magnifiche e grandiose che senza questo elemento architettonico difficilmente sarebbero state realizzate. 

L’arco, in conci di pietra o laterizio, consente infatti di coprire luci maggiori e carichi superiori rispetto al sistema trilitico (costituito da due elementi verticali e uno orizzontale poggiato su di essi).

L’arco è generalmente realizzato in conci di pietra o in elementi in laterizio ed è costituito dai piedritti, che sono gli elementi verticali su cui scarica le spinte e il traverso, che è l’elemento ad arco vero e proprio. I conci agiscono tra di loro per mutuo contrasto e trasferiscono il loro carico con un’azione combinata di peso e spinta. 

Un arco funziona correttamente quando tutti i singoli elementi sono soggetti a compressione, cioè quando la curva delle pressione è contenuta nel nocciolo centrale di inerzia delle sezioni trasversali dei singoli elementi.
Vediamo di seguito la nomenclatura delle principali parti di un arco:

• Intradosso: superficie inferiore dell’arco;
• Estradosso: superficie superiore, di solito non visibile;
• Concio di chiave: elemento centrale dell’arco che serve da chiusura. E’ questo elemento che garantisce l’equilibrio delle forze dell’arco. Posto in opera il concio di chiave può essere rimossa la centina che è un’opera provvisionale, generalmente e storicamente realizzata in legno, necessaria a sorreggere durante la costruzione la struttura e collocare i conci;
• Piano di imposta: piano in cui terminano i piedritti e inizia l’arco;
• Freccia: è la distanza tra il piano di imposta dell’arco e l’intradosso;
• Corda: distanza tra i piedritti.

Esistono differenti tipologie di arco in funzione della forma geometrica e la cui diffusione e utilizzo dipende dal periodo storico e dalla corrente architettonica. Tra i più frequenti: l’arco a tutto sesto, a sesto acuto, ribassato oppure quello ogivale.
Nello spazio, l’arco è strettamente legato per tipologia costruttiva e comportamento statico alla volta che ha la funzione di copertura degli ambienti. Il termine “volta” deriva dal latino “volvere” cioè far ruotare, girare. 
Infatti, semplificando, la volta non è nient’altro che un arco traslato o ruotato (in questo caso avremo una cupola) attorno a un asse nello spazio. Le volte possono essere “semplici” (volta a botte, a vela, a cupola etc) oppure “composte” se derivano dall’intersezione e unione di volte semplici, come la volta a crociera o quella a padiglione.

• Volta a botte. Struttura semicilindrica, copre ambienti rettangolari. La curva direttrice è un arco a tutto sesto mentre le rette generatrici sono parallele ai muri di spalla. Le spinte della volta sono scaricate sui muri;
• Volta a vela. Deriva da una cupola impostata generalmente su una base quadrata, intersecata con piani verticali corrispondenti ai muri di imposta;
• Volta a crociera. Deriva dall’intersezione di due volte a botte. E’ quindi costituita da sei archi, quattro perimetrali e due trasversali. Si vengono quindi a delimitare quattro superfici chiamate unghie. Lo spazio al di sotto della volta è detto campata. La volta si regge generalmente su quattro colonne o pilastri;
• Volta a padiglione. Come la volta a crociera, deriva dall’intersezione di due volte a botte in cui però si considerano i fusi cioè le superfici curve comprese tra gli archi diagonali e i muri di imposta. 

• Il tamburo, rappresenta la base di imposta della cupola;
• La calotta, la parte semisferica;
• I pennacchi, elementi di raccordo tra il tamburo e la cupola;
• La lanterna, posto sulla sommità completa l’opera e fornisce un punto di illuminazione per gli ambienti sottostanti.

Le cause dei dissesti in volte e cupole  

• Cedimenti fondali. Causano la discesa e l'inclinazione delle imposte con lesioni e deformazioni della volta;
• Sisma. Provoca oscillazioni disgiunte delle imposte e danni diffusi;
• Eccessive spinte orizzontali. Causano lesioni da sforzi di trazione nella chiave e alle reni;
• Carichi verticali eccessivi. Determinano inflessioni, deformazioni e fessurazioni;
• Carichi concentrati asimmetrici. Dovuti a modifiche successive alla costruzione iniziale nell’ambiente superiore alla volta (ad esempio, la costruzione di un tramezzo), possono comportare una modifica della geometria originaria e rottura per flessione;
• Instabilità dei rinfianchi. Il loro parziale svuotamento o spostamento del materiale incoerente di riempimento ad esempio a causa di un sisma, provoca dissesti localizzati;
• Invecchiamento e degrado dei materiali. Riducono le caratteristiche meccaniche della struttura;
• Errori costruttivi o di progetto. Rendono la volta o la cupola intrinsecamente debole.

• Movimenti (traslazioni, cedimenti) dei pilastri o muri di imposta;
• Degrado dei materiali costituenti;
• Tamburo inefficiente.

Riconoscere la causa del danno è il primo passo per un intervento di consolidamento delle volte efficace e duraturo. 

Principi e tecniche per il rinforzo di volte e cupole

• Minimo intervento necessario;
• Compatibilità dei materiali con quelli originari;
• Reversibilità dell'intervento;

Scelta della migliore tecnica di rinforzo in relazione alla struttura originaria e al dissesto
In generale si tende a consolidare l'esistente senza alterarne eccessivamente l'aspetto e il funzionamento strutturale. È fondamentale intervenire solo dopo aver determinato la tipologia di dissesto e aver eliminato la causa. Vediamo ora le principali tecniche di consolidamento utilizzabili. 

Ristilatura dei giunti 

Consiste nella rimozione della malta esistente degradata dei giunti, pulizia e ristilatura con malta preferibilmente a base di calce idraulica naturale. Migliora la collaborazione dei conci murari e la ripartizione dei carichi. Si esegue generalmente all’intradosso e sui muri o pilastri di imposta della volta o cupola.

Scuci e cuci 

Tecnica tradizionale che prevede la sostituzione localizzata dei mattoni o conci lesionati con elementi nuovi e malta di allettamento. Utile per ricostituire la continuità muraria in presenza di lesioni diffuse. 

Cuciture armate

Soprattutto nel caso di intradossi decorati in cui non è possibile agire con la tecnica dello scuci e cuci, eventuali lesioni possono essere riparate con cuciture a secco da realizzarsi mediante l’utilizzo di barre elicoidali in acciaio INOX. 

Le barre elicoidali vengono inserite previa realizzazione di un preforo mediante apposito mandrino installato su trapano nel supporto da riparare in maniera trasversale rispetto all’andamento della lesione. Anche in questo caso, come per la tecnica dello scuci-cuci, l’obiettivo è quello di ripristinare la continuità materica e quindi strutturale dell’elemento voltato da consolidare.

Cerchiature

Gli interventi di cerchiatura sono generalmente realizzati per i dissesti delle cupole. Le fasciature possono interessare il tamburo e/o la calotta. L’intervento consiste nella posa di piastre metalliche in acciaio inox o fasce in FRP o FRCM secondo lo schema di progetto. Migliorano il comportamento d'insieme aumentando la resistenza della cupola.

Catene 

Tiranti metallici ancorati alle pareti con capochiave per contenere le spinte orizzontali eccedenti della volta o cupola. Si dispongono in prossimità delle reni. 

Rinforzo a flessione con fasce in materiale composito

L’applicazione di fasciature all’intradosso e/o all’estradosso con sistemi compositi in FRP o FRCM consentono di aumentare la resistenza delle volte e delle cupole (vedi articolo dedicato alle Tecniche di Rinforzo Strutturale Innovative). Generalmente la disposizione dei tessuti o delle reti segue le direttrici e le generatrici dell’elemento architettonico. E’ buona norma collegare il rinforzo così realizzato con le murature perimetrali utilizzando sempre connettori in materiale composito. 

Archi e sottarchi di rinforzo 

Costruzione di nuovi archi in mattoni o pietra a contatto con l'intradosso della volta. Entrano in compressione aumentando la capacità portante della struttura. 

Frenelli

I frenelli sono strutture in mattoni a una o due teste realizzate all’estradosso delle volte e che servono per irrigidire la struttura voltata. Possono essere costruiti contemporaneamente all’opera o in un secondo momento come intervento di consolidamento soprattutto nel caso di eccessivo carico verticale perché consentono lo svuotamento del riempimento.

Sono disposti perpendicolarmente alle generatrici della volta, con passo regolare, il lato inferiore ne segue il profilo mentre il superiore è rettilineo e possono anche avere la funzione di sorreggere il piano del pavimento dei livelli superiori.

Consolidamento delle fondazioni

Interventi locali o globali sulle strutture di fondazione (sottofondazioni, pali radice, iniezioni di miscele leganti etc.). Fondamentali se la formazione di cerniere plastiche deriva da un abbassamento di una delle imposte dovuto a cedimenti fondali. 

Cappa armata collaborante

Un altro intervento ampiamente utilizzato soprattutto in passato per incrementare la capacità portante della volta è quello di realizzare sull’estradosso un getto di calcestruzzo armato con rete elettrosaldata connessa con la superficie della volta e con la muratura perimetrale con barre in acciaio inghisate al supporto. 

Tuttavia questa tipologia di intervento ha manifestato negli anni dei limiti importanti dovuti a una incompatibilità chimico-fisica fra i materiali utilizzati per la cappa e quelli originari ma anche dal punto di vista della deformabilità ed elasticità del rinforzo molto diversa rispetto a quelle della struttura originaria. 

Oggi giorno è possibile sfruttare i vantaggi in termini di incremento delle resistenze ottenuto con la creazione di una cappa collaborante utilizzando un sistema più vantaggioso rispetto a quello tradizionale, impiegando cioè la tecnica dell’Intonaco Armato CRM (Composite Reinforced Mortar). 

La tecnica CRM per il rinforzo di archi, volte e cupole

Con CRM, acronimo di Composite Reinforced Mortar, si intende la tecnica che sfrutta la resistenza a trazione di una rete in materiale composito (fibra di diversa natura e resina) annegata in una malta e opportunamente connessa al supporto con connettori dello stesso materiale, FRP (Fiber Reinforced Polymer). 

L’utilizzo di materiali innovativi per gli elementi di armatura consente l’impiego di malta a base di calce in sostituzione del getto in calcestruzzo. Questo aspetto è molto importante soprattutto quando si agisce su opere in muratura o laterizio perché garantisce una maggiore compatibilità chimico-fisica con i materiali originari evitando fenomeni di efflorescenze superficiali e distacchi prematuri del rinforzo a causa della mancata traspirabilità dell’umidità. 

Gli spessori di intervento sono minori (tra i 30 e i 50 mm) riducendo quindi il peso e le masse agenti sulle strutture con notevole vantaggio soprattutto in caso di sisma. Le reti di armatura e i connettori non arrugginiscono, l’intervento è quindi molto più durevole nel tempo. 

La tecnica è ampiamente utilizzata soprattutto nella realizzazione di intonaci armati per il rinforzo di murature ma proprio per i vantaggi sopra descritti è ideale anche in tutti quei casi in cui ci sia la necessità di rinforzare elementi strutturali voltati andando ad applicare il sistema all’intradosso oppure realizzando una cappa all’estradosso della volta. 

Sarà fondamentale collegare opportunamente la rete non solo alla superficie ma anche alle murature perimetrali. 

La rete in FRP per le sue caratteristiche di flessibilità e leggerezza si adatta perfettamente alla configurazione curva della volta con notevole vantaggio anche nei tempi applicativi. La realizzazione della cappa con una malta a base calce la rende maggiormente solidale al supporto viste le caratteristiche meccaniche simili.

Indicazioni progettuali per gli interventi di rinforzo

Per garantire l'efficacia e la durabilità degli interventi di rinforzo è opportuno seguire alcune indicazioni in fase progettuale: 

• Eseguire rilievi accurati della geometria e dei dissesti ed elaborare un modello strutturale di calcolo;
• Dimensionare gli interventi sulla base dei carichi agenti e delle caratteristiche dei materiali;
• Prevedere sistemi di rinforzo il più possibile reversibili e compatibili con i principi del restauro;
• Dettagliare accuratamente le modalità di intervento e la sequenza delle lavorazioni;
• Utilizzare materiali coerenti con quelli originali ed eseguire prove preliminari;
• Prevedere sistemi di monitoraggio dei dissesti nelle fasi esecutive e a intervento completato;
• Documentare accuratamente tutte le fasi progettuali ed esecutive con relazioni, elaborati grafici e documentazione fotografica.

Il progetto dovrà essere sottoposto alla competente Soprintendenza e alle altre autorità preposte alla tutela del bene in oggetto.

Conclusioni 

Il rinforzo strutturale di volte e cupole in muratura è un intervento complesso che richiede una profonda conoscenza delle caratteristiche costruttive, dei dissesti e delle metodologie di intervento. 
Ogni caso va attentamente valutato e indagato, e la scelta della migliore soluzione progettuale deve tenere conto di molteplici fattori, quali la conservazione del bene, il miglioramento strutturale, la durabilità, la compatibilità e la reversibilità. 
Le tecniche illustrate in questo articolo rappresentano le opzioni oggi maggiormente utilizzate ed efficaci per restituire stabilità a preziose testimonianze architettoniche del nostro patrimonio culturale. 

Dakota Group: la nostra offerta per il rinforzo strutturale di volte e cupole

L’offerta Dakota Group si compone di: 

• Rete strutturale preformata Hercunet in GFRP (Glass fiber reinforced polymer); 
• Connettore in GFRP Ellekon; 
• Ancorante Chimico Vinyl Magnekon;
• Malta strutturale in Bio Force One.

Rete Hercunet. È una rete strutturale preformata in GFRP, con maglia di dimensioni di 40x40, 40x80 e 80x80 millimetri. Rete monolitica e alcali resistente, è realizzata in fibra di vetro impregnata con resina epossidica. Tre i tipi in catalogo: 4040; 4080; 8080 (tutti di 2 metri per 20). È disponibile il dissipatore in poliamide Circlenet. La rete è parte del Sistema Prometheus HT utilizzato per il rinforzo di murature mediante la tecnica dell’intonaco armato (il sistema si completa con i connettori Ellekon e l’angolare Rete Strutturale Hercunet 8080 in GFRP). 

Connettore in GFRP Ellekon. Connettore preformato ad aderenza migliorata, a L, in GFRP, per il collegamento delle reti Hercunet al supporto. É realizzato in materiale composito costituito da fibra di vetro alcali resistente e resina epossidica. Dieci i tipi di connettori per intonaco armato presenti in catalogo. 

Ancorante Chimico Vinyl Magnekon. è una cartuccia bi-componente composta da resina vinilestere senza stirene adatta per carichi pesanti e strutturali per fissaggi in calcestruzzo, muratura piena, laterizi forati e legno. Viene usato per l'inghisaggio dei connettori ELLEKON nei sistemi per il rinforzo strutturale secondo la tecnica dell'intonaco armato CRM. Viene fornito in cartucce da 300 ml con miscelatore dedicato. 

Malta strutturale in Bio Force One. Malta da intonaco a base di calce idraulica naturale per uso strutturale, con resistenza alla compressione a 28 giorni ≥ 15 N/mm², e granulometria massima dell’inerte di 1,2 millimetri. Leganti pozzolanici, inerti selezionati e fibre, di colore marrone chiaro. È disponibile in sacchi da 25 kg.

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