Implementazione di un concetto innovativo di restauro usando la tecnologia di misura di forze e deformazioni

Il trasferimento del carico originale storico non era più efficiente, essendo invece ora ridistribuito fra il soffitto ed i pali del pavimento sottostante, col risultato di sovraccaricare queste aree. Il progetto che emerse fu di ripristinare il trasferimento del carico storico della cupola. Ciò comportava lo sviluppo di un concetto incentrato sulla complessa redistribuzione del carico della cupola dai pali ai puntoni delle capriate.

1. Introduzione e problema

Il castello di Friedenstein è il più grande edificio della Turingia risalente alla Guerra dei Trent'anni (1618–1648), essendo stata posta la prima pietra nel 1643 dal duca Ernesto I. Esso è anche il più grande parco del primo Barocco in tutta la Germania.

Andreas Rudolph, costruttore di fortezze del Magdeburgo, fu incaricato della costruzione e l'edificio fu completato nel 1654.

Fig. 1: Castello di Friedenstein come si vede oggi
(foto: Ingenieurbüro Hirsch, Erfurt)

 

Il palazzo era usato principalmente per scopi residenziali e per funzioni ufficiali, ed anche come sede reale, dal periodo del barocco all'era del classicismo. Attualmente viene utilizzato principalmente dalla Biblioteca di Sato e di Ricerca Gotha e dall'Archivio della Turingia. Esso è anche un'importante attrazione turistica. L'angolo sudoccidentale della corte del palazzo è formato dalla torre occidentale, lunga 26 metri da spigolo a spigolo ed alta 40 metri.

La torre ospita il teatro Erkhoftheater, risalente attorno al 1681, ritenuto uno dei più antichi teatri barocchi sopravissuti, muniti ancora dei macchinari di scena originali.

Il tetto della torre ovest è una struttura a forma di tenda sovrastata da una cupola ottagonale (struttura sagomata a tenda). Lo stile architettonico originale usava un traliccio a capriate per deviare i carichi dalla cupola alla muratura esterna, creando una torre molto spaziosa e virtualmente priva di sostegni. Le capriate sostenevano le strutture che trasferiscono le forze mediante puntoni diagonali.

Fig. 2: Vista della torre occidentale

 

Fig. 3: Sezione della torre occidentale

 

Nel corso del tempo, i danni alle strutture di sostegno ed ai punti di supporto dal tetto alla muratura esterna, hanno provocato un pronunciato abbassamento dei soffitti del secondo e terzo piano dell'edificio. Il trasferimento del carico originale storico non era più efficiente, essendo invece ora ridistribuito fra il soffitto ed i pali del pavimento sottostante, col risultato di sovraccaricare queste aree.  La Figura 4 mostra il trasferimento progettato del carico sulla destra e sulla sinistra ed il flusso della forza causato dai danni.

 

Percorso delle forze come progettato originariamente

 

 

Percorso attuale delle forze

Fig. 4: Confronto del percorso delle forze (flusso delle forze) nell'area del traliccio delle capriate 

2. Concetto di restauro

Esaminando il compito di ricostruzione, sia i progettisti che i restauratori erano limitati da numerosi vincoli. Essi dovevano: 

• trovare una soluzione adeguata per un monumento storico, 
• evitare di utilizzare strutture di rinforzo sui piani di lavoro, 
• effettuare il restauro mentre l'edificio restava in funzione, 
• mantenere il tessuto storico dell'edificio, 
• garantire che qualsiasi proposta di rinforzo fosse localizzata e minimale, 
• ottimizzare i costi del restauro. 

Di fronte a questi vincoli e dopo aver ponderato le varie alternative, il progetto che emerse fu di ripristinare il trasferimento storico del carico della cupola. Ciò comportava lo sviluppo di un concetto incentrato sulla complessa redistribuzione del carico della cupola dai pali ai puntoni delle capriate. 

Per ottenere quanto detto, era necessario irrobustire i tralicci di legno delle capriate, e poi inserire otto elementi di tensionamento con misuratori della forza integrati, nei puntoni diagonali. Per riattivare le capriate, si doveva prima reindirizzare il flusso della forza. La Fig. 5 mostra il diagramma della procedura da adottare.

Il carico della capriata doveva essere temporaneamente deviato dai pali da otto paia di martinetti idraulici, in modo che le piastre dei muri ed il basamento di muratura restassero senza carico e potessero essere smantellati. Al fine di monitorare il comportamento carico/deformazione, in ogni postazione dei martinetti fu misurata la combinazione forza/spostamento. Ciò permise di evitare che dei carichi addizionali fossero applicati nelle aree sottostanti le piastre dei muri, zone già fortemente sovraccaricate. Retraendo poi i martinetti idraulici, sarebbe stato rimosso il carico dai soffitti trasferendolo alla muratura esterna mediante i puntoni e le capriate. Per poterlo fare, si doveva prima definire la distribuzione del carico fra i singoli puntoni.

La redistribuzione del flusso della forza si poteva ottenere solo se, come parte dell'opera di ristrutturazione, si fossero misurate e visualizzate in loco le forze e le deformazioni che si verificavano lungo la travatura della capriata.

 

Fig. 5: Sopra, schema del ridirezionamento del flusso di forze; sotto, situazione del cantiere in loco

 

Era anche importante che il monitoraggio metrologico del flusso di forze e deformazioni continuasse anche dopo il completamento del restauro. Conseguentemente, fu sviluppato ed implementato un sistema comprendente una combinazione di misurazioni in linea e di monitoraggio geodetico per determinare gli stati di deformazione.

3. Aree di applicazione della tecnologia di misura

La tecnologia di misura ebbe un ruolo importante nel concetto di restauro per controllare e monitorare il complesso processo di redistribuzione del carico. Essa venne applicata in svariate aree.

3.1 Misurazione delle forze di sollevamento dai pali della travatura 

Durante la distribuzione temporanea del carico, fu registrata la forza applicata da ciascuna coppia di martinetti mediante un trasduttore di forza inserito nel flusso della forza. Furono usati i sensori C6A della HBM con la massima capacità di 200 kN. Essi erano collegati all'amplificatore HBM Spider8 munito di moduli aggiuntivi SR55 per portare ad otto il numero di canali di misura a frequenza portante. La forza venne misurata solo su uno dei martinetti della coppia presumendo che, data la connessione idraulica fra i due martinetti, la loro spinta fosse distribuita in modo uniforme. La Fig. 6 mostra questo tipo di punto di misura.

Azionando deliberatamente le singole coppie di martinetti, si riteneva possibile ottenere la distribuzione uniforme del carico di spinta dei cilindri idraulici. Esistevano degli specifici limiti di carico da non superare, per evitare di sovraccaricare certi punti della struttura del soffitto, con la conseguenza che i lavori di ristrutturazione avrebbero causato più danni di quanti ne potessero riparare!

Il metodo di lavoro sviluppato doveva servire anche a definire metrologicamente il carico originale totale della cupola prima sconosciuto, per poi disporre delle forze necessarie a qualsiasi calcolo statico addizionale sulla struttura portante.

I dati ottenuti dalla misurazione delle forze idrauliche furono resi disponibili in tempo reale per l'ingegnere strutturale in loco.

Fig. 6: Martinetto idraulico con trasduttore di forza e sensore di spostamento sulla piastra di basamento del palo della travatura 

3.2 Misurazione dell'entità di spostamento dai pali della travatura

In parallelo alla misurazione delle forze idrauliche, fu registrato metrologicamente il sollevamento dai pali della travatura, relativo alla struttura del soffitto sottostante del terzo piano. Ciò fu ottenuto usando trasduttori di spostamento potenziometrici collegati ad un altro amplificatore Spider8 ad otto canali. Come mostrato in Fig. 6, i punti di misura furono collocati accanto ai martinetti idraulici.

Questa misurazione consentì anche di determinare quanta parte del carico totale fosse assunta dai martinetti idraulici.

Ciò era indicato dalla graduale liberazione dal carico dei pali della travatura, che si rifletteva nella caratteristica forza/deformazione delle misurazioni combinate della forza e dello spostamento. I martinetti idraulici erano controllati manualmente, in funzione dell'evidente spostamento.

3.3 Misurazione delle deformazioni dei puntoni della travatura per determinare le forze sui puntoni 

Un'altra parte importante dell'aspetto metrologico del lavoro di ristrutturazione fu la misurazione delle forze di compressione nei puntoni della travatura. Ciò perché al progettista era stato richiesto di realizzare la specifica distribuzione del carico fra i singoli puntoni della struttura portante. Questo fu possibile effettuando le misurazioni di deformazione durante l'aggiustamento fine. Per evitare il sovraccarico, fu anche essenziale non superare gli specifici carichi limite di sicurezza. Dopo la ristrutturazione, era necessario monitorare per un lungo periodo di tempo la situazione del carico della travatura.

 

Fig. 7: Schema delle giunzioni trave-con-trave con gli elementi di tensionamento nei puntoni diagonali 

 

Per ottemperare a questa esigenza, fu realizzato un elemento di tensionamento e misurazione combinati (MSE), installandolo nel flusso della forza di ciascun puntone della travatura. La Fig. 7 ne mostra lo schema. La lunghezza dell'elemento poteva essere variata avvitandolo nella filettatura, il che permetteva di controllare l'effetto dell'entità del carico sul puntone. Ciò veniva fatto manualmente.

Fig. 8: Sopra, elemento di tensionamento con l'applicazione di un ponte intero di estensimetri in testa; sotto, installazione nel puntone della travatura

 

Lo stesso elemento era usato anche per rilevare la forza, misurando la deformazione con gli estensimetri e calcolando la conseguente sollecitazione con la relazione lineare sollecitazione/deformazione. I punti di misura erano costituiti da due rosette a T tipo 6/120 XY 31 T della HBM incollate sui lati opposti della circonferenza. Gli estensimetri furono collegati elettricamente a ponte intero. L'intenzione era di compensare le variazioni del segnale causate dal cambiamento di temperatura e di umidità. Inoltre, la circuitazione degli estensimetri scelta compensava anche le flessioni reciproche causate inevitabilmente dal considerevole peso morto del puntone e dalla sua inclinazione.

I punti di misura furono previamente installati con collante Z70. Su consiglio della HBM, gli estensimetri furono rivestiti da più strati di agenti protettivi, prima con vernice di poliuretano PU120, poi con gomma al silicone SG250 e, dopo il tempo di cura, completati con nastro di rivestimento ABM75. Questo nastro è costituito da un foglio di alluminio spesso 0,05 mm sopra uno strato da 3 mm di mastice. Esso fornisce una barriera altamente efficace alla penetrazione dell'umidità.

 

Fig. 9: Dispositivo di prova per tarare gli elementi di tensionamento

 

La Figura 8 illustra tale elemento di tensionamento e misura. Un modello di elemento di tensionamento e misura di identica costruzione fu tarato sperimentalmente in laboratorio. Il telaio di caricamento mostrato in Fig. 9 fu realizzato in modo che la parte del dispositivo di tensionamento, con il punto di misura ad estensimetri già installato, potesse essere soggetto al carico effettivo del sistema idraulico. Per misurare la forza fu interposto un trasduttore. Dai valori di misura ottenuti a differenti livelli di carico, fu possibile determinare la sensibilità della tensione di uscita del puntone di forza. I valori di misura ottenuti a vari livelli di carico mostrarono che c'era un'approssimazione molto buona alla correlazione lineare fra queste grandezze lungo tutto il campo di misura.

3.4 Associazione delle misurazioni geodetiche

Durante il redirezionamento, le relative misurazioni col sistema di acquisizione in linea furono integrate da metodi geodetici di misura. Sebbene il grado di precisione di questo genere di misurazioni sia nettamente inferiore, esse hanno il vantaggio di avere un riferimento assoluto della deformazione rispetto alla solida muratura esterna. Ciò permetteva di verificare indipendentemente le misurazioni elettroniche. Furono registrate le seguenti grandezze:

• l'altitudine dei pali della travatura in relazione alla muratura esterna, 
• l'altitudine del profilo principale del soffitto del terzo piano in relazione alla muratura esterna, 
• le curve di deflessione in punti selezionati dei soffitti del secondo e del terzo piano. 

Le installazioni fisse dei punti di misura geodetici selezionati permisero anche la successiva registrazione delle variazioni di deformazione.

3.5 Gestione e visualizzazione dei valori di misura

L'esigenza di visualizzare in loco i segnali di misura pose un problema particolare. I dati provenienti da 32 punti di misura elettronici dovevano essere predisposti e riassunti per fornire chiarezza visiva, in modo che al progettista fosse possibile identificare e valutare rapidamente gli stati di carico e deformazione della struttura di sostegno, in qualsiasi momento durante il reindirizzamanto della forza. Il progettista doveva anche rilevare immediatamente il superamento di qualsiasi valore limite prescritto.

I valori elettrici di misura devono essere convertiti in tempo reale nelle corrispondenti grandezze fisiche e devono essere determinati i diversi risultati, quali i totali calcolati delle forze. Un concetto rilevate di indicazione fu l'identificazione anticipata delle misure, concordata con il competente progettista della struttura portante e poi implementata.

L'amplificatore multicanale Spider 8 della HBM ed il software catman^® 5 ad esso associato, erano il cuore dell'elaborazione e calcolo dei valori di misura. La combinazione del catman^® e la configurazione della strumentazione consentirono il salvataggio dei dati ed il calcolo in tempo reale dei risultati. La cadenza di acquisizione di 1 Hz fu considerata adeguata.

La visualizzazione appariva su diversi monitor ed era contemporanemente proiettata su uno schermo. La Fig. 10 mostra l'aspetto di una schermata tipica. Le forze di spinta ed i carichi limite sono nel centro, ed i colori delle barre cambiano al superamento dei valori limite. I corrispondenti spostamenti della travatura risperro ai pali appare sopra e sotto e la loro estensione, graduata in diversi colori, si può notare a colpo d'occhio. All'estremità destra dello schermo appaiono i valori calcolati addizionali.

 

Fig. 10: Realizzazione in loco del quadro di controllo in tempo reale; un documento in linea di catman, proiettato su uno schermo

4. Monitoraggio continuo

Lo stato di carico dei puntoni della travatura verrà monitorato continuamente per un periodo di due anni, dopo aver effettuato il reindirizzamento della forza con successo. I dati verranno acquisiti e salvati elettronicamente, con un ciclo di misura ogni due ore. I dati di misura vengono regolarmente trasmessi e valutati mediante trasmissione dati a distanza, in modo che essi siano prontamente disponibili per valutare gli stati della struttura portante.

Le influenze climatiche stagionali sono un fattore molto importante per la valutazione dei dati di misura acquisiti a lungo termine, dato che le variazioni dei valori di misura causati in particolare dalla temperatura possono avere considerevole effetto sui risultati di misura. Per consentire la valutazione corretta delle influenze di questo tipo, saranno registrate sia la temperatura che l'umidità relativa nel corso del monitoraggio continuo.

Le misurazioni ora in corso hanno già mostrato che occorre un certo periodo di tempo per ottenere uno stato di carico stabile. Dopo un anno di monitoraggio continuo, sono stati regolati gli elementi di tensionamento così come definito dal progettista, per correggere i carichi delle travature. Si è osservato che è stato necessario il trascorrere di un intero anno dopo il redirezionamento della forza per raggiungere l'attuale stabilità dello stato di carico.