Diagnosi delle strutture in legno esistenti negli edifici storici: esplorazione e valutazione non distruttiva

Come spesso accade nelle strutture storiche, coperture e solai sono realizzati in legno. La conoscenza delle caratteristiche di questo materiale, così come appaiono a livello macroscopico e microscopico, risultano imprescindibili per comprendere i principali fenomeni di degrado che lo interessano e consentono di formulare un percorso diagnostico appropriato per valutarne lo stato di conservazione. L'analisi diagnostica delle strutture in legno riveste, infatti, un ruolo cruciale nella valutazione della sicurezza delle costruzioni e nell'identificazione di problematiche non sempre evidenti, derivanti dal degrado delle componenti lignee.

L’ispezione delle strutture lignee è una procedura diagnostica che si colloca nel contesto delle metodologie non distruttive, poiché consente di valutare lo stato di conservazione del legno attraverso osservazioni visive e l’uso di strumenti sofisticati, tra i quali il penetrometro per legno (resistograph).

Analisi dello stato di conservazione delle strutture in legno: come eseguirla

Le modalità di ispezione in situ di una struttura lignea in opera è regolamentata dalla norma UNI 11119:2004 "Beni culturali. Manufatti lignei. Strutture portanti degli edifici - Ispezione in situ per la diagnosi degli elementi in opera". La norma stabilisce procedure e criteri per la valutazione dello stato di conservazione e la stima delle proprietà di resistenza di elementi lignei in opera, attraverso l’esecuzione di ispezioni visive e l’impiego di metodologie di prova non distruttive.

Prima di svolgere l’ispezione vera e propria di una struttura lignea è necessario che venga fatto un sopralluogo preliminare per valutare se siano garantite le condizioni necessarie per lo svolgimento delle attività diagnostiche, tra cui:

• L’accessibilità della struttura. Tutti gli elementi lignei da ispezionare devono essere accessibili in ogni parte dai tecnici che eseguono l’ispezione.
• La pulizia delle superfici. Dal momento che la prima attività diagnostica che si esegue consiste nell’analisi visiva dell’opera è necessario che le superfici delle strutture lignee a vista non siano ricoperte da polvere, sporcizia o
• simili.
• L’adeguata illuminazione. Sempre per le ragioni indicate nel punto precedente è necessario operare con una luce che, per intensità e qualità, permetta un corretto esame a vista delle superfici in legno.

La norma indica le due principali procedure di ispezione da adottare per condurre una completa valutazione dello stato di conservazione di una struttura lignea, particolare: l’ispezione visiva e l’analisi strumentale.

L’ispezione visiva consiste nell’esaminare a distanza ravvicinata l’elemento ligneo in tutto il suo sviluppo e nel rilevare tutti gli i dettagli relativi alle caratteristiche geometriche, all’identificazione della specie, ai difetti e degradi in particolar modo nelle zone non a vista (es. appoggi murari). Questa fase di ispezione include anche valutazioni qualitative con un impatto minimo sulla struttura e sui materiali, come ad esempio l'uso di tecniche di percussione con martelli o l'inserimento di cacciaviti per sondare la consistenza del legno, oltre al rilievo geometrico e all'identificazione delle specie lignea. Questa prima ricognizione visiva consente di “catalogare” tutte le parti da ispezionare e di predisporre un base grafica su cui annotare tutti gli aspetti diagnostici utili alla valutazione tecnologica e strumentale della struttura.

Le analisi strumentali vengono eseguite per accertare l’eventuale presenza di degrado negli elementi lignei apparentemente sani, nelle parti che non permettono il regolare espletamento dell’ispezione visiva e per valutare la dimensione delle sezioni quando non sono rilevabili in altro modo. Le modalità di svolgimento delle prove dovranno essere stabilite in dipendenza della specie legnosa, delle dimensioni della sezione, delle eventuali manifestazioni visibili delle alterazioni o accertabili mediante l’ispezione visiva delle zone immediatamente adiacenti agli elementi indagati.

Tra i diversi strumenti e metodologie di prova a disposizione, quello della foratura semplice con resistograph è di gran lunga il sistema più efficiente per valutare lo stato di conservazione di un elemento ligneo. Lo strumento consiste in uno speciale trapano in grado di rilevare in continuità le variazioni dei parametri di rotazione e di avanzamento della punta nel legno. Si riesce quindi a ricavare informazioni sulla presenza di eventuali anomalie nascoste e zone di scarsa resistenza. Tali informazioni sono riportate in un grafico dove sull’asse orizzontale viene rappresentata la profondità progressiva della penetrazione della punta all’interno della sezione, mentre sull’asse verticale è mostrato l’indice delle resistenze riscontrato durante il percorso della punta all’interno della massa legnosa. Questi indici rilevati forniscono indicazioni sulle caratteristiche del legno come difetti, alterazioni (per esempio dovute ad attacchi silofagi fungini o da insetti) oppure nodi, spaccature, slittamento delle fibre, cipollature anulari, ampiezze anulari in punti specifici dell’elemento ligneo.

Nella figura sotto viene presentato un “profilo integro”, ottenuto con la prova penetrometrica: la successione ravvicinata di picchi massimi e minimi è legata alla densità degli anelli che costituiscono la struttura indagata. Il picco più alto è dovuto alla resistenza che la punta incontra nell’attraversare la parte di accrescimento autunnale dell’anello, mentre il picco più basso indica la penetrazione nella zona formatasi in primavera.

L’immagine seguente mostra un profilo tipico in un legno molto degradato: la presenza di vuoti, dovuti a fenomeni di degrado come la carie, causa un repentino abbassamento della curva tendente allo zero.

Profilo ottenuto da una prova penetrometrica condotta su una struttura con discontinuità interne.

Nelle immagini sottostanti sono riportati alcuni esempi di come si svolgono le prove penetrometriche nei nodi di capriate. Va ricordato che la valutazione di questi risultati sono di tipo unicamente comparativo; lo strumento, infatti, non restituisce un valore assoluto, ma l’indice di un parametro adimensionale. L’interpretazione dei risultati deve essere eseguita con il criterio del confronto, tra i molti profili che presentano lo stesso profilo densiometrico in funzione dell’elemento e della specie legnosa.

Esempi di prova penetrometrica condotta su testate di capriate.

Un caso pratico: il sottotetto della chiesa di Santa Chiara, Carpi (RE)

La chiesa di S. Chiara fa parte di un antico complesso monastico risalente al XVI° secolo. A fine del XVIII° secolo fu terminata la costruzione della chiesa per come si presenta ora. Le strutture lignee della copertura appartengono a due fasi costruttive differenti: la più antica posta sopra gli ambienti del coro e quella più recente sopra l’aula della chiesa.

L’ispezione diagnostica si è concentrata sulla parte più antica della copertura, caratterizzata dalla presenza di capriate composte, con doppia catena, di cui quella inferiore composta da due parti unite mediante giunto a dardo di Giove e 3 monaci (figg. 1-2). Talvolta le capriate presentano catene rinforzate con altri elementi in legno e parti sostituite con legno a spigolo vivo e di specie differente (fig. 3-4), presumibilmente per problemi di degrado.

Fig. 1 – Capriata composta

Fig. 2 – Unione a dardo di Giove nella catena 

Fig. 3 – Elementi di sostituzione nella parte superiore della capriata

Fig. 4 – Consolidamento catena con guance lignee

In altri casi i nodi puntoni-catena erano consolidati localmente tramite staffe metalliche (fig. 5-6) con tenditore a vite e bulloni, presumibilmente inseriti per problemi di degrado già pregressi, ma comunque da approfondire in vista del recupero delle strutture.

Alla luce di queste criticità è stata perciò progettata un'ispezione diagnostica di dettaglio sugli elementi costituenti la grossa orditura (capriate ed arcarecci) che fornisse al progettista la localizzazione degli elementi degradati e/o difettosi per i quali scegliere la migliore strategia conservativa. Per ogni elemento costituente le capriate e per gli arcarecci è stata eseguita:

• l’identificazione delle specie legnose e il rilievo geometrico delle sezioni;
• la valutazione delle difettosità del materiale e attribuzione della classe di qualità resistente;
• la localizzazione e quantificazione delle carenze strutturali rilevanti;
• le analisi resistografiche in corrispondenza degli appoggi e di ogni altra sezione in luce dove sia stato ritenuto necessario accertare strumentalmente lo stato di conservazione interno all’elemento.

I risultati dell'ispezione visiva e strumentale hanno evidenziato che le capriate presentano problemi di degrado agli appoggi ed occasionalmente in luce. Il degrado è più grave nei punti già consolidati con staffature e imbullonature. Anche in luce è stato rilevato degrado e solo grazie all’impiego delle prove resistografiche si è potuto determinarne l’estensione.

La raccolta di tutte queste informazioni è avvenuta mediante l’impiego di schemi grafici rappresentativi della struttura nel suo complesso (o alle unità strutturali) ed per ciascun elemento strutturale. La restituzione del rilievo diagnostico sotto forma tabulare e grafica rappresenta un efficace strumento a disposizione del progettista per riconoscere subito le situazioni critiche sulle quali intervenire.

Si riportano, a titolo esemplificativo, gli schemi di cantiere su cui sono state rappresentate le informazioni raccolte durante l’ispezione visiva e strumentale. 

Fig. 7 – Schema di rilievo della capriata più ammalorata. Nello schema sono indicate le prove penetrometriche (cerchio in rosso numerato) e i dati di carattere geometrico (in blu) e relativi al degrado (in verde)

Fig. 8 – Rilievi degli appoggi relativi alla capriata più ammalorata

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