The Structural Engineer's Corner

Eng. Onorio Francesco Salvatore

Alla scoperta della Hagia Sophia, parte VI: le fondazioni, il tipo di suolo ed il mistero delle cisterne

Written By: Francesco Salvatore Onorio - Jun• 19•11

Prosegue il viaggio alla scoperta della meravigliosa Hagia Sophia. In questo articolo mi concentro sulle fondazioni, sul tipo di suolo su cui è stata fondata e sul mistero delle cisterne sotterranee che le leggende dicono siano addirittura più grandi di Hagia Sophia stessa. E’ un viaggio che parte dai primi e lontani studi effettuati da Emerson e Van Nice, interrotti a causa del secondo conflitto mondiale, e giunge fino ai giorni nostri passando per le prime analisi FEM eseguite negli anni ’90.
L’Hagia Sophia poggia su un suolo costituito da rocce risalenti al periodo devoniano (da 410 a 360 milioni di anni fa). Sulle rive del Bosforo predominano rocce calcaree e scisti, insieme a calcari a placchette. [1]

Il suolo su cui poggia la struttura ha sempre interessato gli studiosi, al punto che molte campagne di ricerca sono state effettuate nel corso degli anni. Tra le analisi più interessanti vi sono quelle gravimetriche svolte nel 1993 da LaCoste e Romber. Il piano terra dell’Hagia Sophia fu ricoperto da una griglia di punti e per ognuno di essi fu rilevato il valore gravimetrico richiesto.

La griglia 9×11 utilizzata. [2]

I primi risultati ottenuti. Si nota la presenza dei picchi.

 

Ogni punto venne distanziato circa 4 metri dall’altro, in questo modo si potevano rilevare i valori richiesti fino ad una profondità di 20 m.

Andando a confrontare i risultati ottenuti, sotto forma di superficie a tre dimensioni, con la pianta dell’Hagia Sophia risultò evidente l’influenza dei piloni sulle cavità del terreno. I picchi, infatti, si presentavano proprio in corrispondenza dei piloni.

Il problema successivo fu di eliminare questi picchi perché erano dovuti ai piloni, che erano già noti. L’obbiettivo era valutare eventuali cavità, tunnel e quant’altro, quindi la loro influenza sui risultati non era richiesta.

Mediante una serie di elaborazioni si poté escludere l’effetto dei piloni, ottenendo una superficie priva dei picchi precedenti. Nel caso di cavità omogenee su tutta la superficie si sarebbe ottenuta una superficie piana, ma ovviamente questo non era il risultato atteso.

La mappa gravimetrica ottenuta escludendo i piloni. [3]

 

I risultati ottenuti mostrarono una superficie pendente verso est, con piccolo cresce simmetriche attorno all’asse est-ovest dell’edificio e causate dalle fondazioni.

Da questa superficie si possono ottenere informazioni sulle fondazioni e, infatti, fu proprio questo uno degli obbiettivi degli Autori. Essi ottennero che al di sotto del piano terra dell’Hagia Sophia potevano essere stati disposte sei platee orizzontali spesse 1 m, con una densità di 600-1500 kg/m³ a profondità raggiuntenti massimo 6 m.

Uno dei possibili schemi per la fondazione dell’Hagia Sophia.

 

Vi era però il problema dei piloni secondari ad ovest che alteravano in parte i risultati così come, in maniera maggiore, facevano i piloni secondari. E’ alquanto improbabile, infatti, che la fondazione si presentasse a gradoni. Il passo successivo fu allora di ridurre anche i piloni secondari ad ovest. La superficie ottenuta era molto più chiara e plausibile.

Le conclusioni cui giunsero gli Autori furono le seguenti:

L’Hagia Sophia è stata fondata su uno strato roccioso naturale avente un’inclinazione verso est e con piccole creste simmetriche attorno all’asse est-ovest della struttura.

Inoltre, dato che le isolinee [mostrate dai risultati della seconda analisi] sono molto morbide nella parte centrale dell’Hagia Sophia, nessuna cavità o altre superfici non omogenee esistono con un volume superiore agli 8³ m³ fino ad una profondità di 20 m. [4]

 

La mappa delle cavità ottenuta dalla seconda analisi.

 

Questi risultati, avuti nel 1993, confermarono quanto già affermato da Emerson e Van Nice molto tempo prima. Van Nice, infatti, chiese al Byzantine Institute di poter fare delle analisi sulla struttura nel 1931. Ottenuto il permesso, le campagne di analisi iniziarono nel 1937 e terminarono nel 1941 a causa della guerra. [5]

Tra le varie finalità, Emerson e Van Nice volevano anche verificare la presenza delle cisterne poste al di sotto della struttura (che già si è visto non vi siano o comunque non siano di elevato volume, grazie ai risultati delle analisi gravimetriche del 1993). Leggende del tempo, infatti, parlavano di maestose sottostrutture, comparabili alla sovrastruttura. Molte chiese bizantine, infatti, presentavano cisterne al di sotto. Queste cisterne non vennero mai trovate dagli studiosi, ma furono scoperti invece dei pozzi. Due di questi si trovavano all’interno della navata centrale e discendevano andando verso i narteci nella parte occidentale. Le conclusioni cui giunsero Emerson e Van Nice furono le seguenti:

Primo, non vi sono cisterne simmetriche incorporate nelle fondazioni; e, secondo, i piloni della cupola sono costruiti su roccia naturale, la cui compressione sotto il peso della struttura fu largamente responsabile del crollo della prima cupola. [6]

Queste conclusioni furono molto importanti in quanto stabilivano che non vi erano le cisterne di cui tanto si parlava e che, ancora più importante, la compressione del suolo con relativi cedimenti ebbe un ruolo importante nel crollo della prima cupola.

Tra l’altro, le cisterne non furono menzionate da nessuna delle quattro principali fonti letterarie dell’Hagia Sophia: Procopio, Paolo il Silenzioso, Agathias e Evagius. Tutti vissero nel sesto secolo, furono testimoni e descrissero struttura e lavori realizzati.

 

I cunicoli sotterranei dell’Hagia Sophia. La loro estensione è di 300 m. [7]

 

Il fatto che non vengano citate le cisterne è importante in quanto una simile caratteristica, ovvero volumi maestosi di cui parlavano le leggende, sarebbe stata sicuramente menzionata. Quelle voci non nacquero a quel tempo, quindi, ma furono successive. Molto probabilmente fu in epoca turca che iniziarono a circolare. La loro diffusione, comunque, era talmente forte che gli stessi Emerson e Van Nice lasciarono una porta aperta a possibili successivi rinvenimenti. Come visto, le credenze erano talmente forti che sono continuate fino agli novanta del ventesimo secolo, messe poi definitivamente a tacere dalle analisi gravimetriche.

Uno dei punti che veniva indicato come ingresso di una cisterna è indicato con il numero uno nella mappa riportata (si trova nella navata centrale, circa 10.50 m a sud del pilone di nord-ovest). In realtà, lì vi è un pozzo ricavato nella roccia naturale; la sua sommità è costituita da un foro circolare di 0.44 m di diametro che si innesta in un blocco di marmo posizionato sul pavimento. Gli intagli sono talmente precisi che è difficile anche percepire questa apertura.

L’acqua si trovava ad una quota di 1.40 m sotto il livello del piano terra in un cunicolo profondo 11.98 m e con un diametro di 0.54 m posto a 2.38 m sotto il suolo. Tra il piano terra e questo punto le pareti sono composte di frammenti di mattoni e marmo annegati nella malta. Sotto i 2.38 m il foro fu ottenuto tagliando la roccia naturale.

A tal proposito ecco la conclusione di Emerson e Van Nice:

Non essendovi canali visibili di nessun genere, è ovvio che l’apertura che veniva considerata essere l’entrata di una cisterna è in realtà un pozzo ottenuto tagliando la roccia ad una profondità di 2.38 m dal piano terra della navata. [8]

 

Pianta e sezione del pozzo nella navata centrale.

La data in cui è stato scavato questo pozzo non è certa, perché può essere stato ricavato addirittura prima della costruzione dell’Hagia Sophia, per poi essere mantenuto ed incorporato nella costruzione.

Successivamente Emerson e Van Nice passarono ad esplorare i cunicoli presenti al di sotto dell’Hagia Sophia, ma anche in questo caso non vi fu nessuna evidenza di cisterne. Interessante fu la linea segnata da un precedente ingombro di acqua ad una quota di 0.40 m sul suolo del tunnel.

 

Uno dei cunicoli esplorati da Emerson e Van Nice. Si notano le dimensioni e la zona precedentemente occupata dall’acqua (più chiara), posta ad una quota di 0.40 m dal suolo.

 

 

Queste furono le conclusioni degli studiosi dopo aver esplorato i passaggi:

Le pareti di molti di questi cunicoli sono indubbiamente del sesto secolo. Laddove passano sotto i passaggi delle porte, sono architravati da pesanti pietre (e una lesione in una di queste pietre consente di vedere il passaggio trovandosi all’interno del nartece), mentre in corrispondenza delle navate laterali sono state disposte platee di marmo sbozzato che portano i pavimenti superiori.

[…] L’aspetto importante per questa discussione è che i passaggi non raggiungono in nessun punto la profondità della roccia. […] la rapidità con la quale l’Hagia Sophia è stata costruita preclude la possibilità che la costruzione possa essere stata rimandata per eseguire enormi scavi, che avrebbero consumato molto tempo, nell’area centrale. [9]

A questo punto, appurato che non vi sono problemi di cavità o cisterne, è opportuno concentrarsi maggiormente sul tipo di suolo. Se le fondazioni hanno colpe nel primo crollo della cupola, non essendovi volumi vuoti al di sotto del piano terra bisogna studiare la natura geologica del sito.

Già Emerson e Van Nice si preoccuparono di questi aspetti e riuscirono a constatare che il sito si trova su una roccia di origini devoniane (come detto all’inizio dell’articolo). Loro in realtà ne ebbero la prova visionando solo quanto vi era in prossimità del pilone posto a nord-ovest, della navata centrale e della parete a nord, ma non ebbero motivi per dubitare che il sito fosse omogeneo su tutta la superficie di ingombro della fondazione.

 

 

Le loro conclusioni al riguardo furono:

I rapporti geologici mostrano che la regione di Istanbul fu soggetta a due ere di formazioni rocciose. Dato che le due spinte agirono approssimativamente ad angolo retto l’una rispetto all’altra, la struttura geologica risultante è molto complessa. Superfici di scisti devoniane di presentano piegate per formare una cresta in corrispondenza del sito dell’Hagia Sophia. […] L’Hagia Sophia è quindi locata su una cresta anticlinale devoniana.

Dato che non si possono fare relazioni esatte tra questa cresta e l’edificio a partire dalle mappe attualmente disponibili, si devono considerare tre ipotesi:

1) i piloni della cupola possono trovarsi su roccia devoniana, la quale è antica e ben consolidata e costituisce quindi un materiale relativamente buono per la fondazione;

2) i piloni possono trovarsi su letti terziari [il terziario è l’era geologica nota anche come cenozoico], i quali sono relativamente giovani e meno consolidati;

3) i piloni possono cavalcare il confine della cresta, con i piloni a nord che si trovano su roccia devoniana e quelli a sud che si trovano su letti terziari.

Per varie ragioni l’edifico appare trovarsi su roccia devoniana. L’estensione e la profondità degli strati presenti nel pozzo sono conformi alle indicazioni delle mappe geologiche.

La deformazione dei quattro piloni, misurata in corrispondenza del piano della navata centrale, galleria ed imposte degli archi della cupola è la seguente:

– pendono indietro di circa 0.45 m

– si inclinano verso l’asse trasversale di circa 0.15 m

– l’angolo di inflessione dei piloni è di circa 19°

E’ importante il fatto che la deformazione dei piloni sia relativamente simmetrica. [10]

 

Emerson e Van Nice capirono che non essendovi cisterne o vuoti importanti, la natura del terreno era la causa delle deformazioni della struttura. E proprio tramite queste deformazioni, allora, si poteva capire la natura del terreno. L’ultima affermazione è molto importante, in quanto aiuta a stabilire l’omogeneità/disomogeneità del sito. Infatti:

Se i due piloni posti a sud stessero su letti terziari allora avrebbero subito deformazioni esagerate, mentre nessuna evidenza del genere appare. Inoltre, non vi sono evidenze di spostamenti causati dallo scorrimento dei letti terziari sugli strati devoniani durante i terremoti […].

Questi aspetti suggeriscono che i quattro piloni siano tutti costruiti su roccia devoniana e che la loro deformazione simmetrica è dovuta principalmente alla spinta della cupola. Anche se bisogna tener conto anche delle deformazioni risultati dai terremoti.

 

Questa conclusione è molto importante in quanto non solo viene stabilità l’omogeneità del sito, costituito da tutta roccia devoniana, dura e ben consolidata, ma attribuisce anche la deformazione dei piloni non alla natura del terreno come causa principale ma bensì alle spinte agenti. Inoltre:

Gli edifici costruiti su roccia solida raramente soffrono le onde sismiche. Queste onde principalmente affliggono le strutture poste al di sopra di terreni morbidi e non consolidati […]. Le strutture poste su roccia solida sono poco influenzate da queste onde superficiali. Esse sono afflitte dalle vibrazioni che le onde causano alla roccia e che vengono trasmesse a tutta la struttura. In piccolo edifici le vibrazioni causano pochi danni; in quelli grandi si ha trasformazione in energia cinetica la quale causa crolli spostare le fondazioni. Quindi, se i piloni stanno su roccia devoniana, come le scoperte fatte suggeriscono, i danni subiti dall’Hagia Sophia durante i terremoti appaiono essere il risultato non di scorrimenti nelle fondazioni, ma di energia cinetica accompagnata alle vibrazioni. [11]

 

Fatte queste considerazioni, Emerson e Van Nice arrivarono a delle conclusioni fondamentali:

Questo ci porta al nocciolo della questione: che ruolo hanno avuto questi fattori nel crollo della prima cupola?

La pressione esercitata dai piloni al livello del suolo, stimata da Salzenberg, appare essere approssimativamente 105 tonnellate per metro quadrato, se [il carico] viene distribuito sui 110 m² occupati dai piloni e dai contrafforti.

Questa grandezza è ben dentro il limite di compressione ammissibile per la pietra da costruzione. Sebbene l’esatta forma delle fondazioni non sia nota, se esse si allargano apprezzabilmente sotto il suolo, la pressione sulla superficie della roccia si avvicina a questo valore. Sotto il peso dei soli piloni, qualsiasi cedimento sarebbe verticale, ma la spinta radiale della prima cupola, la quale si elevava tra i 6.0 ed i 7.0 m meno di quella attuale, tese ad inclinare i piloni verso l’esterno.

La spinta incrementò la pressione sulla roccia nel bordo esterno dei piloni e dei contrafforti, e ridusse quella agente sul bordo interno. Una pressione localizzata dell’ordine di 100 ton/m² sulla superficie di una roccia debole come quella degli scisti devoniani è sufficiente a causare scorrimento plastico.

Dato che la pressione alla base del pilone incrementò dalla faccia interna verso l’esterno, lo scorrimento plastico fu necessariamente accompagnato da un’inclinazione verso l’esterno dei piloni.

I piloni ed i contrafforti si piegarono verso l’esterno […] per la relativa sottigliezza delle sezioni di chiave degli archi, i quali uniscono essi al livello della navata, gelleria e soffitto della galleria,

Con la luce degli archi trasversali che gradualmente si allargò nel corso degli anni, la statica della sovrastruttura divenne sempre più precaria. E’ sorprendente come il terremoto del 557 non portò giù in una sola volta tutta la cupola. [12]

Nelle citazioni riportate anzitutto si nota una piccola incongruenza: la roccia devoniana viene prima definita come “antica e ben consolidata” aggiungendo che “costituisce quindi un materiale relativamente buono per la fondazione”, salvo poi affermare che sia “una roccia debole come quella degli scisti devoniani”.

La spiegazione che si può dare a queste affermazioni apparentemente contrastanti sta nella sollecitazione agente, ovvero se il carico fosse stato esclusivamente verticale allora non vi sarebbero stati problemi per il terreno; con questa condizione di carico la roccia è più che buona per la fondazione.

Infatti, 105 ton/m² sono pari a 10.5 kg/cm²




[1] Touring Club Italiano, “Istanbul”, pag. 17.

[2] Immagine tratta da: Nasataka Tanaka, George S. Dulikravich, “Inverse problems in engineering mechanics”, pag. 146.

[3] Vedi riferimento precedente, pag. 147.

[4] Vedi riferimento precedente, pag. 149.

[5] William Emerson e Robert L. Van Nice, “Hagia Sophia, Istanbul: Preliminary Report of a Recent Examination of the Structure”, pubblicato su “American Journal of Archeology”, vol. 47. No. 4 (ottobre-dicembre 1943), pag. 403-436, ad opera dell’Archeological Institute of America.

[6] William Emerson e Robert L. Van Nice, “Hagia Sophia, Istanbul: Preliminary Report of a Recent Examination of the Structure”, pag. 407.

[7] Immagine tratta da: William Emerson e Robert L. Van Nice, “Hagia Sophia, Istanbul: Preliminary Report of a Recent Examination of the Structure”, pag. 408.

[8] Citazione tratta da: William Emerson e Robert L. Van Nice, “Hagia Sophia, Istanbul: Preliminary Report of a Recent Examination of the Structure”, pag. 409.

[9] Vedi riferimento precedente, pag. 411.

[10] Vedi riferimento precedente, pag. 411 e 412.

[11] Vedi riferimento precedente, pag. 412.

[12] Vedi riferimento precedente, pag. 412 e 413.

 

 

 

 

E con questo è tutto. Appuntamento a lettrici e lettori al prossimo articolo.

Per chiarimenti, segnalazioni ed altro è possibile contattare l’autore a:

onorio@strutturista.com

Ing. Onorio Francesco Salvatore

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