Il campanile di San Domenico a Nardò. L’uso di fibre di carbonio per prevenire danni da eventi sismici

              Progetto di: Studio AERREKAPPA Srl (Arch. Cristina Caiulo e Ing. Stefano Pallara)¹.                 Consulenza strutturale di: Prof. Ing. Maria Antonietta Aiello, PhD², Ing. Alessio Cascardi, PhD^3. 

Gli obiettivi dell’intervento

La protezione sismica delle torri campanarie in muratura storica rimane una delle sfide più critiche nel campo dell’ingegneria strutturale per i beni culturali. Negli ultimi decenni, lo sviluppo dei polimeri rinforzati con fibre (FRP: Fiber Renforced Polymer) e dei sistemi a malta rinforzata con composito (CRM: Composite Renforced Mortar) ha aperto nuove possibilità, offrendo soluzioni leggere, ad alta resistenza e reversibili/rimovibili. Tuttavia, la pratica attuale manca ancora di strategie integrate che combinino confinamento passivo e pretensione e/o precompressione attiva, nonché approcci che incorporino il monitoraggio e la modellazione predittiva nel flusso di lavoro della conservazione. L’uso dei FRP per il consolidamento dei membri in muratura è stato tradizionalmente considerato in stato passivo, in cui il composito è applicato esternamente e attivato solo quando il substrato si deforma sotto carico. Applicando invece tiranti FRP circonferenziali ancorati solo alle estremità e post-tensionati per indurre confinamento orizzontale, la tecnica può migliorare la capacità portante della muratura senza alterarne il carattere architettonico. Formulazioni analitiche e simulazioni agli elementi finiti hanno confermato che la precompressione orizzontale aumenta significativamente la resistenza a taglio e a compressione sia in geometrie semplici sia in edifici complessi con aperture, con i tendini in polimero rinforzato con fibre di carbonio (CFRP) che offrono la massima efficienza. Tuttavia, l’applicazione verticale dei tendini FRP non è stata considerata. Attivando il rinforzo FRP, il sistema può impartire un campo di tensione compressiva benefico alla muratura, contrastando la sua intrinseca debolezza a trazione e migliorando sia la rigidezza sia la capacità portante. La razionalità scientifica di questo approccio si basa sulla natura anisotropa e fragile della muratura. I manufatti in muratura, siano essi unità in laterizio o in pietra con giunti di malta, presentano resistenza a trazione limitata e sono suscettibili all’innesco di fessurazioni sotto livelli di tensione relativamente bassi. I sistemi FRP passivi sono efficaci nel ponteggiare le fessure e fornire resistenza post-fessurazione; tuttavia, non alterano la distribuzione iniziale delle tensioni all’interno della membratura. Al contrario, un sistema FRP attivo può modificare lo stato tensionale prima del carico esterno, ritardando così la formazione delle fessure e migliorando la risposta strutturale globale. Viceversa, la compatibilità dei CRM con i substrati in muratura storica è un aspetto chiave nella conservazione e nel retrofit sismico delle strutture del patrimonio. I sistemi CRM, costituiti da griglie di fibre immerse in matrici inorganiche, sono progettati per fornire rinforzo meccanico mantenendo compatibilità chimica, fisica ed estetica con la muratura tradizionale. L’aspetto primario della compatibilità è l’interazione meccanica tra lo strato CRM e la muratura. I substrati storici sono spesso irregolari, eterogenei, con bassa resistenza a trazione e rigidezza variabile. I sistemi CRM devono adattarsi a queste condizioni senza causare concentrazioni di tensione o danni locali. L’uso di matrici inorganiche fornisce un certo grado di deformabilità e permeabilità al vapore, essenziale per evitare l’intrappolamento dell’umidità e mantenere l’equilibrio igrotermico della parete. Inoltre, l’adesione tra CRM e muratura è tipicamente ottenuta tramite interblocco meccanico e penetrazione della malta nelle irregolarità superficiali, piuttosto che basandosi esclusivamente sull’adesione chimica. Questo garantisce un collegamento più robusto e duraturo, anche su superfici irregolari o degradate. La compatibilità chimica e fisica è altrettanto cruciale. La muratura storica spesso contiene malte a base di calce e unità in pietra o laterizio porose, sensibili ai cambiamenti nel trasporto dell’umidità e alla migrazione dei sali. Le resine organiche, come quelle utilizzate nei FRP, possono creare barriere impermeabili che alterano la traspirabilità naturale della parete, portando a un deterioramento a lungo termine. Al contrario, i sistemi CRM mantengono la permeabilità al vapore e consentono lo scambio continuo di umidità, minimizzando i rischi di efflorescenze, di cristallizzazione dei sali o di danni da gelo-disgelo. Le loro matrici a base minerale hanno anche coefficienti di dilatazione termica simili a quelli della muratura, riducendo la probabilità di movimenti differenziali e distacco sotto cicli ambientali. Da una prospettiva conservativa, la reversibilità e la minima invasività sono essenziali.

Il contesto storico

La Chiesa di S. Domenico a Nardò in provincia di Lecce, realizzata nell’area domenicana più antica del Salento, inizialmente dedicata a Santa Maria de Raccomandatis (XIV sec. ca.), nella conformazione originaria era di tipologia basilicale a tre navate con campanile e convento annesso. Fu riedificata nella seconda metà del XVI secolo, presumibilmente tra il 1580 e il 1594, dai maestri muratori Giovanni Maria Tarantino e Giovanni Tommaso de Muro (detto “Riccio”). Il completamento del Campanile (Fig. 1) sembra risalire a questa fase, della quale rimane traccia in alcune murature al livello delle aree solari, ornate con archetti pensili e altri elementi decorativi tipici del periodo. L’originario impianto interno a croce latina divenne a navata unica con tre cappelle per lato secondo i canoni architettonici della Controriforma. Di questa fase rimangono la facciata principale e quella laterale su piazza Salandra, con l’ottocentesca fontana del Toro addossata, parte della sacrestia e la base del campanile. Il resto del fabbricato cinquecentesco crollò in seguito al terremoto del 1743: anche la parte superiore del Campanile, svettante al di sopra delle aree solari, subì seri danni e venne rimaneggiata pesantemente (su uno scudo lapideo si legge 1745, con il “5” a forma di “S”) insieme al convento adiacente alla chiesa. Tutto il complesso fu rimaneggiato dal celebre architetto napoletano Ferdinando Sanfelice, chiamato dal fratello Antonio, all’epoca Vescovo di Nardò, in seguito al citato terremoto del 1743. Nel 1866, con la soppressione dei beni ecclesiastici, fu trasformato in scuola pubblica. Nel XX secolo fu oggetto di due interventi importanti, uno alle coperture a tetto ligneo e uno, molto invasivo, alla struttura muraria, che venne letteralmente“tessuta” con cuciture armate e iniezioni cementizie, delle quali sono ancora visibili innumerevoli fori sigillati con cemento riscontrati sui paramenti murari (rilevati e confrontati con quelli riportati nei disegni del progetto dell’epoca). Ad oggi circa la metà è ancora occupata da un istituto scolastico, mentre l’altra metà è in grave stato di abbandono.

RESTAURO CONSERVATIVO E PROGETTO STRUTTURALE

1. Intervento di Restauro Conservativo

Come da prassi nell’elaborare il progetto di Restauro Conservativo ci siamo basati su un accurato studio preliminare degli interventi precedenti a cui l’intero complesso è stato sottoposto e sulle risultanze del rilievo del degrado. Nel dettaglio, gli ultimi interventi di restauro e consolidamento statico della chiesa risalgono al 1984, mentre quelli relativi al ripristino delle sole coperture al 2000. Il progetto del 1984 prevedeva importanti interventi sulle strutture murarie, con un preconsolidamento con perforazioni orizzontali fino all’interno della muratura e iniezione di miscela cementizia e perforazioni carotate orizzontali e verticali con inserimento di barre di acciaio e iniezione di miscela cementizia. Inoltre, prevedeva l’impermeabilizzazione di conci fessurati con perni di acciaio e nel campanile l’esecuzione di voltine estradossate in c.a. in corrispondenza degli orizzontamenti. Al momento del Progetto erano visibili in parte le stuccature delle perforazioni. Di pari passo con la progettazione del Miglioramento sismico si è portata avanti la progettazione del Restauro Conservativo – con l’obiettivo di restituire al manufatto coerenza e integrità sia dal punto di vista estetico sia da quello strutturale, sempre nel rispetto dei principi di “riconoscibilità, reversibilità, compatibilità, minimo intervento e interdisciplinarietà” (Cesare Brandi). Il consolidamento dei paramenti murari, peraltro, riveste un ruolo fondamentale perché contribuisce all’equilibrio statico dell’intero manufatto. Realizzato parte in pietra calcarea del tipo carparo, parte in pietra leccese e parte in tufo, il Campanile presenta diversi problemi di conservazione dei paramenti murari derivanti dal naturale degrado dei materiali, dagli agenti atmosferici e dall’azione corrosiva del guano dei volatili. La sua sommità si presenta particolarmente colpita da depositi bio-deteriogeni e da spessi strati di muschi e licheni. In generale si sono riscontrati fenomeni di disgregazione della pietra e croste nere; qualche concio fratturato e alcuni lacerti di una patina grigiastra a base di calce molto probabilmente con funzione decorativa, erroneamente interpretata in passato come boiacca di cemento⁴. Gli interventi effettuati, previa esecuzione di idonee campionature per ogni singola fase, hanno riguardato innanzitutto la disinfezione da depositi di origine biologica mediante la ripetuta applicazione di biocidi (ove strettamente necessario) con la rimozione meccanica degli elementi vegetativi mediante adeguati attrezzi come bisturi, spatole, spazzole. A scopo preventivo l’intera superficie è stata poi trattata con un prodotto antiparassitario e fungicida. Mediante l’utilizzo di micro-sabbiatrice a secco, a base di carbonato di calcio di granulometria finissima, con proiezione controllata a bassissima pressione, si è proceduto alla pulitura e rimozione dello strato superficiale ossidato delle croste nere e degli strati carbonati sui paramenti in carparo, pietra molto resistente, mentre sul resto si è intervenuti con applicazioni di cellulosa imbibita di idoneo prodotto di pulitura. Per il consolidamento e la protezione dei paramenti murari e degli elementi scolpiti, e per fissare i lacerti di patina grigiastra, è stato applicato a pennello per assorbimento, in tre passaggi con percentuale crescente, un consolidante a base di idrossido di calcio nanofasico, mentre la stilatura dei giunti e delle mancanze è stata effettuata con malta di calce impastata con sabbia di fiume e polvere di pietra lavata del tipo carparo come la superficie materica di applicazione. Come richiesto espressamente dalla competente Soprintendenza, si è infine proceduto con una lievissima equilibratura cromatica, campionata sul tono di colore prevalente della pietra originale, realizzata mediante velatura degli elementi modanati con una soluzione costituita da idrato di calcio in sospensione (acqua di calce) e pigmenti naturali colorati, il cui effetto risulta anche ulteriormente consolidante.

1. Progetto strutturale

Il campanile è una struttura indipendente originariamente costruita separatamente, con la chiesa successivamente affiancata a seguito degli interventi cinquecenteschi. Un rilievo con drone ha rivelato una rotazione di 0,5° corrispondente a uno spostamento orizzontale in sommità di 17 cm (Fig. 2). A causa del difetto di verticalità, l’analisi cinematica ha rivelato che il coefficiente di sicurezza non è soddisfatto in caso di attività sismica attesa sul sito. Il ribaltamento di una torre in muratura dovuto all’attività sismica descrive la potenzialità della torre di ruotare o inclinarsi attorno alla sua base o a un punto di perno lungo la sua altezza. Questo si verifica quando le forze orizzontali generate da un terremoto superano la resistenza laterale della torre, generando una coppia (o momento) che potrebbe causare la rotazione della struttura, portando potenzialmente al collasso. L’analisi cinematica ha mostrato che il pattern di fessurazione esistente e lo spostamento in sommità misurato (circa 17 cm) erano coerenti con un meccanismo di ribaltamento incipiente innescato da azioni sismiche anche al di sotto del livello di progetto.

La strategia di intervento ha combinato sistemi compositi passivi e attivi (pre-tesi) per fornire un incremento bilanciato della capacità sismica. Gli elementi passivi includevano l’uso di sistemi CRM sull’estradosso delle volte selezionate, in cui reti in GFRP immerse in malta di calce aumentavano la resistenza a taglio e distribuivano le tensioni di trazione. Connettori in CFRP assicuravano l’azione composita con le pareti di sostegno, minimizzando i rischi di separazione. Tiranti orizzontali passivi, realizzati mediante barre in CFRP ancorate a piastre in acciaio inossidabile, fornivano un comportamento a scatola accoppiando le pareti ortogonali. Per minimizzare l’invasività dell’intervento, corde in fibra di carbonio sono state installate lungo l’altezza del campanile nella sua porzione libera, con le estremità inserite in manicotti in acciaio inossidabile filettati esternamente utilizzando resina epossidica tixotropica. Le forze di tensionamento sono state trasferite alla muratura tramite contro-elementi rigidi composti da due profili IPE 160 paralleli su ogni lato, incassati nella muratura. Questi profili metallici sono stati opportunamente trattati per prevenire la corrosione elettrochimica. Per migliorare il collegamento tra gli elementi portanti verticali e garantire resistenza alla spinta delle volte, sono stati installati anche tiranti in fibra di carbonio ad alta tenacità e resina termoindurente. Le estremità dei tiranti sono state inserite in manicotti in acciaio inossidabile utilizzando resina epossidica e assicurate contro la muratura con raccordi filettati terminali in acciaio inossidabile. I sistemi attivi hanno introdotto corde in fibra di carbonio pretensionate verticalmente lungo l’altezza mediana della Torre. Queste corde, ancorate a telai in acciaio incassati in sommità e alla base, sono state tese per introdurre forze compressive stabilizzanti che contrastano il ribaltamento. Il livello di pretensione è stato attentamente monitorato per evitare sollecitazioni localizzate eccessive, garantendo l’attivazione durante l’eccitazione sismica. Le simulazioni numeriche hanno mostrato che il sistema ibrido ha aumentato la frequenza fondamentale della Torre di quasi il 20%, spostandola fuori dai range critici di risonanza.

1. Implementazione del retrofit

L’esecuzione è iniziata con la preparazione delle superfici murarie, che ha richiesto la rimozione dei depositi, della malta deteriorata e del materiale incoerente. Come mostrato in Fig. 3 a) l’intradosso delle volte è stato pulito utilizzando micro-sabbiatura controllata con abrasivi finissimi di carbonato di calcio, una tecnica selezionata per evitare di danneggiare il substrato poroso in tufo. Questa operazione ha esposto la tessitura originale della muratura e ha assicurato un adeguato interblocco meccanico per la successiva applicazione dei materiali compositi. La fase di pulitura ha incluso anche la rimozione della crescita biologica e il consolidamento delle superfici lapidee friabili, come visibile in Fig. 3 b), dove sono stati applicati trattamenti di nanocalce per ripristinare la coesione delle aree degradate. Una volta stabilizzato il substrato è iniziata l’installazione del sistema CRM sulle volte. Il primo strato di malta, mostrato in Fig. 3 c), è stato applicato per regolarizzare la superficie dell’intradosso e fornire una lettiera uniforme per il rinforzo composito. La rete in GFRP è stata sagomata per seguire la curvatura delle volte e posizionata sulla malta fresca, come illustrato in Fig. 3 d). Connettori meccanici a forma di L sono stati inseriti attraverso la rete e nella muratura per assicurare l’ancoraggio completo e prevenire il distacco sotto carico ciclico. Lo strato finale di rivestimento, raffigurato in Fig. 3 d), ha completato l’applicazione del CRM, formando una pelle rinforzata continua capace di migliorare la capacità a taglio e controllare la propagazione delle fessure. Il processo di maturazione è stato attentamente monitorato per mantenere condizioni di umidità appropriate, prevenendo la fessurazione da ritiro e garantendo la stabilità a lungo termine della matrice inorganica.

Il consolidamento del comportamento globale della Torre ha richiesto l’installazione di tiranti orizzontali in CFRP, progettati per ripristinare l’azione a scatola e contrastare le spinte orizzontali generate dalle volte. Lamine in CFRP sono state inserite utilizzando un legante a base minerale per mantenere la compatibilità con la muratura storica [Fig. 4 a)] e il sistema di ancoraggio è consistito in piastre in acciaio inossidabile incassate nella muratura per distribuire le tensioni ed evitare schiacciamento locale, preverniciate in una colorazione simile alla pietra come concordato con la Soprintendenza [Figg. 4 b) e c)]. Il sistema ha creato un anello tensile continuo che ha efficacemente accoppiato le pareti ortogonali e limitato i movimenti differenziali provocati dall’eventuale eccitazione sismica.

La componente attiva del retrofit ha coinvolto l’installazione di corde verticali in carbonio pretensionate, progettate per introdurre forze compressive stabilizzanti lungo l’altezza della Torre. I telai di ancoraggio per le corde sono stati fissati alla muratura interna ai livelli superiori e inferiori. Le corde sono state fatte passare attraverso guide in acciaio inossidabile e tese utilizzando martinetti idraulici calibrati. Il processo di pre-tensionamento è stato eseguito gradualmente e monitorato per evitare di indurre tensioni localizzate eccessive e per assicurare una distribuzione uniforme della forza lungo l’altezza della Torre. La configurazione finale del sistema pretensionato è visibile in Fig. 5 a), mentre il monitoraggio continuo del livello di precompressione è mostrato in Fig. 5 b). Il retrofit è stato completato con un impatto visivo minimo, poiché tutti gli elementi compositi sono stati applicati all’interno in strati sottili, preservando l’aspetto architettonico del campanile.

CONCLUSIONI

Il retrofit sismico del campanile di San Domenico esemplifica come la conservazione del patrimonio culturale possa evolvere in una pratica prospettica, bilanciando innovazione ingegneristica, responsabilità etica e sostenibilità. La combinazione di sistemi FRP attivi e passivi, specificamente tiranti verticali pretensionati e rinforzi di volte a base di CRM, ha fornito un miglioramento sinergico della resistenza sismica. Questa strategia ibrida non solo ha migliorato la stabilità globale mitigando i meccanismi di ribaltamento, ma ha anche rinforzato le vulnerabilità locali quali le spinte delle volte e le intersezioni delle pareti.

L’incremento misurato delle frequenze modali e la riduzione delle derive sismiche hanno confermato l’efficacia di questo approccio nell’allineare il comportamento dinamico della Torre campanaria con i requisiti di sicurezza e originalità storica. Attualmente il gruppo di lavoro sta sperimentando soluzioni d’avanguardia che prevedono la preliminare creazione di un Reactive Digital Twin della Chiesa per monitorare in tempo reale il suo comportamento statico e, tramite raffinati sensori intervenire direttamente sui tiranti pretensionati per modificare lo stato di tensione in funzione delle sollecitazioni strutturali ed eventualmente sismiche.

Cristina Caiulo

NOTE:

¹ “Studio AERREKAPPA S.r.l. – Società di Ingegneria”, Italia. Email: info@studioaerrekappa.com

² Dip.di Ingegneria dell’Innovazione, Università del Salento, Italia. Email: antonietta.aiello@unisalento.it

³ Dip. di Ingegneria Civile, Università della Calabria, Italia. Email: alessio.cascardi@unical.it

⁴ Analoghi lacerti di stucco grigiastro sono stati riscontrati su altre facciate di edifici di Nardò risalenti al XVIII sec.: l’ipotesi formulata da Cristina Caiulo, che li ha rilevati sulla facciata della Cattedrale, è che si tratti di un rimando alla pietra magmatica usata dal Sanfelice a Napoli, il piperno.