Volte in muratura: come si possono consolidare?

Il consolidamento strutturale di volte in muratura

Il consolidamento strutturale di volte in muratura rappresenta sempre un tema delicato quando si affronta un intervento di restauro di edifici storici.

Le volte sono strutture murarie di forma curva aventi l’ufficio di chiudere in sommità i vuoti delle murature e scaricare il peso gravante su di esse. Possono essere a tutto sesto e a sesto ribassato oppure a sesto rialzato; le volte possono essere di forma semplice se l’intradosso consta di una sola superficie a “botte”, a “bacino” a “vela”; o di forma composta se l’intradosso consta di diverse superfici, a “padiglione”, a “crociera”, a “botte lunettata”, a “cupola composta”.

Le volte sono strutture ad arco composte da blocchi di pietra squadrata di spessore variabile che si appoggiano su pareti perimetrali e di spina oppure su pilastri in pietra. In presenza di più volte, le rispettive forze orizzontali (dovute in massima parte al peso proprio e al riempimento delle volte) tendono ad annullarsi, essendo di pari intensità, ma di verso opposto.

I rinfianchi delle volte non sono altro che i riempimenti degli spazi fra l’estradosso delle volte ed i muri, per equilibrare il carico agente sulle volte. I rinfianchi possono anche essere sostituiti con speroni o muretti di contrasto, costruiti nei detti spazi.
Le pareti portanti perimetrali a sostegno della volta, sono di dimensioni massicce e anch’esse in pietra squadrata.

Nelle patologie più frequenti sulle volte si evidenziano per lo più lesioni concentrate in pochi punti, assimilabili a vere e proprie "cerniere" strutturali che, quando superano il numero di tre, generano un meccanismo di collasso. La struttura, che in origine è tre volte iperstatica, si trasforma in un cinematismo a uno o più gradi di libertà con conseguente crollo.

La pratica più frequente per il risanamento delle volte prevede l’uso di una cappa in cemento armato collaborante con l’arco formato da blocchi di pietra; questa tecnica, che potrebbe sembrare invasiva, risulta, invece, molto efficace per il consolidamento delle volte, sia perché  contribuisce ad accrescere la rigidezza della struttura, sia perché la cappa in cemento armato risulta distribuita uniformemente all’estradosso della volta, non modificando, così, lo schema statico dell’arco originario.

Si deve inoltre considerare che la cappa in cemento armato va a sostituire il materiale di rinfianco della volta, il cui peso specifico [γ≈20kN/mc] è dello stesso ordine di grandezza di quello del calcestruzzo [γ≈25kN/mc].  

L’intervento proposto è in grado di aumentare notevolmente la resistenza a rottura dell’arco; infatti, la sezione della soletta in cemento armato in collaborazione con la sezione dell’arco in pietra, assicura una superficie resistente maggiore alle sollecitazioni esterne, garantendo che la poligonale delle pressioni sia contenuta entro la zona di nocciolo di inerzia o, nei casi più sfavorevoli, si discosti di poco da questa. Con questa tecnica si assicura che i conci siano soggetti esclusivamente a tensioni di compressione.

Tecniche usuali di consolidamento delle volte

L'obiettivo dell'intervento di consolidamento è quello di ottenere “la massima corrispondenza” tra forma d'asse dell'arco e la curva delle pressioni, per ridurre la eccentricità a valori minimi e comunque contenuti nello spessore strutturale.

Fra le tecniche adottate, si annovera l'uso di catene di contrasto alle imposte, che rappresenta una metodologia, alcune volte necessaria, quando non è possibile operare con contrafforti o comunque con strutture esterne. Le catene, tuttavia, mentre impediscono efficacemente i movimenti orizzontali dell'arco, creano contemporaneamente un ostacolo visuale, molte volte non accettabile.

La soluzione che ha maggiormente preso piede in questi ultimi anni, quando si opera in edifici storici, dove solitamente sono presenti solai a volta, è la realizzazione di una cappa collaborante in cemento armato da stendere all'estradosso della volta, previa posa in opera, di connettori metallici tra la vecchia e la nuova struttura. In questa maniera, si concorre a incrementare la sezione resistente dell’arco (sezione soletta in c.a. + sezione conci in pietra) oltre ad aumentare la rigidezza inerziale dell’arco: somma di EJcls + EJconci in pietra.

Un ulteriore miglioramento delle condizioni di funzionamento della volta prevede, oltre alla realizzazione della cappa in c.a. descritta sopra, la realizzazione di frenelli in muratura, rinforzati con fasce di tessuto in fibra di carbonio, con effetto irrigidente e stabilizzante nei confronti del meccanismo di collasso. Questa tecnica riproduce, in modo meno invadente e con minore carico, il comportamento dei rinfianchi senza ricorrere al riempimento degli spazi fra l’estradosso delle volte e i muri.

Il restauro statico di volte in pietra, mediante interventi di consolidamento strutturale che assicurino la resistenza ai carichi verticali e orizzontali (sisma), comporta talvolta interventi puntuali in parti dell’arco degradate, come l’imposta o la chiave di volta, in cui sono presenti lesioni concentrate. In questi casi è necessario procedere applicando tecniche tradizionali quali: cuci-scuci, iniezioni di boiacche a base di calce idraulica, ristilatura di giunti previa scarnitura della malta degradata.

Verifica delle volte

Per la verifica di stabilità degli archi si può applicare il metodo di Méry.
Dato che le volte sono simmetriche rispetto al piano verticale del giunto in chiave e sono simmetricamente caricate, è sufficiente estendere la verifica ad una mezza volta compresa tra un giunto di imposta e il giunto in chiave, tenendo conto di una striscia profonda un metro.

Dopo aver calcolato i carichi agenti (peso soletta e muratura sopra il concio considerato e peso del concio stesso), si trovano le rette d’azione R1, R2… delle risultanti parziali. Connettendo i vettori R1, R2… (dati dalla somma dei carichi verticali agenti su ciascun concio), con un poligono funicolare p di polo P, si determina la posizione della risultante R  (R1+R2+…).

Per la simmetria, la spinta H in chiave è senz’altro orizzontale e passa per il punto di nocciolo superiore; mentre la spinta S all’imposta passa per il punto di incontro della H con la R; quest’ultima condizione è obbligatoria affinché vi sia equilibrio tra la forza R e le reazioni H ed S. Per determinare le intensità di H ed S si tracciano dalle estremità della R le parallele alle direzioni di H ed S fino a che si incontrano nel punto Q.

L’arco risulta ben dimensionato se la poligonale delle pressioni è contenuta entro la zona di nocciolo o si discosta poco da questo, cioè questa verifica assicura che i conci siano soggetti esclusivamente a tensioni di compressione.

Determinate le intensità di H ed S è possibile verificare la stabilità dei giunti in chiave ed all’imposta (con s= spessore concio):

- giunto in chiave:  smax=         2 H   < samm         [ in      daN - cm] [ s= spessore concio]

                                                 100 s

- giunto d’imposta:  smax=        2 S   < samm

                                                 100 s