"L'indagine conoscitiva affidata al Dott. Forlani mirava a fornire un modello o più modelli che descrivessero "ie condizioni statiche del monumento con la valutazione della stabilità, compresa quella sismica, sia sulle strutture in elevazione sia in quelle fondali, e l'analisi causa/effetto delle situazioni esaminate per consentire la scelta delle soluzioni progettuali opportune da adottare caso per caso." L'indagine proposta era quindi indirizzata a conoscere: le caratteristiche meccaniche, in campo elastico ed elastoplastico delle varie tipologie murarie in elevazione e la verifica dello stato delle fondazioni e del terreno di appoggio. Riconosciute le proprietà geomeccaniche del sistema si può risalire allo stato della stabilità attuale della Cattedrale, e successivamente si può definire il programma degli interventi per l'indagine cosi proposto dallo Studio Forlani.

1) L'indagine visiva con le mappature delle pareti e strutture ammalorate della successione degli interventi murari possibilmente confermati dalla ricerca archivistico storica.

2) La scelta tra varie tipologie di aree rappresentative dove eseguire:

a) saggi con metodologia microsismica in aree eterogenee e discontinue;

b) saggi con metodologia meccanica e prove penetrometriche di taratura delle malte;

e) prove di laboratorio su campioni carotati.

Per l'indagine microsismica nel periodo Settembre-Ottobre 1998 il prof Marchisio e il doti Gucci per lo Studio Sgai hanno provveduto ad effettuare le prove microsismiche; durante la campagna geognostica non distruttiva sono state effettuate: n° 85 profili a rifrazione su basi di 2-4 m, con 6-12 trasduttori per base e numerose energizzazioni; n° 10 tomografie per trasparenza; n°I5 misure tomografìche SST m 6 fori (in ogni foro sono stati effettuati 2 o 3 cicli di misure completi con espansione in diverse direzioni); n° 6 fori di carotaggio con 0 60 mm e prelievo di campioni; n°36 serie di misure penetrometriche PNT-G sulle malte. L'esecuzione delle misure è risultata particolarmente difficile. Alla consueta delicatezza delle misure microsismiche su basi piccolissime si è aggiunta la forte disomogeneità delle murature della Cattedrale sommata ad un elevato degrado delle superfici. Nonostante questo si sono ottenuti, grazie anche alla sovrabbondanza delle prove ed alla cura sia nell'esecuzione delle stesse sia nella lettura manuale degli 851 sismogrammi, risultati molto soddisfacenti. Per quanto riguarda le Tomografìe Sismiche, brevemente se ne riportano i risultati.

Sui muri perimetrali ne sono state eseguite due; - una attraverso la muratura esterna destra della Cattedrale, all'altezza della cappella C2; la ricostruzione tomografica è risultata stabile nonostante il piccolo spessore del muro e la sezione ricostruita indica una velocità media all'interno dell'ordine dei 2000 m/s. - una attraverso la muratura esterna sinistra della Cattedrale, all'altezza della cappella C2; anche questa ricostruzione tomografica è risultata stabile nonostante il piccolo spessore del muro e lo stato disastroso della superficie estema, sotto il portico, dove si sono fatte le energizzazioni.

Sui pilastri della cupola sono state eseguite quattro tomografie; - una tomografia attraverso il pilastro anteriore destro; velocità molto elevate in corrispondenza delle superfici esterne e più basse (ma non bassissime) all'interno; ben visibile un palo iniettato; la zona a bassa velocità in basso a destra coincide con un tratto di intonaco in pessime condizioni; - una tomografia attraverso il pilastro anteriore sinistro; velocità molto elevate nella parte alta e in basso a sinistra; - una tomografia attraverso il pilastro posteriore sinistro; la parte interna risulta molto omogenea, con velocità di circa 2500 m/s; un'area ad alta velocità è evidenziata in basso a ds (un palo iniettato?); - una tomografia attraverso il pilastro posteriore destro; anche in questa sezione la parte intema risulta molto omogenea, con velocità di circa 2000 m/s; un'area ad alta velocità è evidenziata in basso (un palo iniettato?) ed in superficie, da entrambi i lati, si notano altezze molto localizzate di anomalie positive e negative.

Sulle murature esterne nella zona absidale le tomografie rilevano qualche picco a velocità medio-bassa intorno ai 1000 m/s.

Nella Torre campanaria al piano delle campane sono state eseguite due tomografìe: - attraverso il lato Sud del muro della torre all'altezza delle campane, verso l'angolo SW, sono state eseguite sia misure tomografiche classiche per trasparenza che con la tecnica SST (Sondaggio Sismico Tomografico) in un foro effettuato a questo scopo; la tomografia mette in evidenza velocità mediamente molto basse (le peggiori misurate, tra 500 e 700 m/s) tranne un paio di anomalie ad alta velocità (con ogni probabilità pali iniettati); - la tomografia che interessa la parete Ovest della torre, verso l'angolo NW, indica invece una situazione nettamente migliore, con velocità medie dell'ordine dei 1500 m/s.

Al piano intermedio della Torre Campanaria la tomografia è stata eseguita attraverso la parete Sud, tra la finestra e l'angolo SW. Sulla stessa muratura sono state fatte anche due tomografìe SST nel foro 2 ed un profilo a rifrazione verticale, R26. La tomografia mette in evidenza una situazione relativamente omogenea, con velocità medie tra 1500 e 2000 m/s lungo la parete interna e dell'ordine dei 1500 m/s all'interno, con una forte anomalia nella zona centrale dovuta evidentemente ad un palo, ed un'area allentata sulla superficie estema (degrado + effetto iniezioni?). Un'altra tomografia è stata eseguita attraverso la parete Ovest, tra la finestra e l'angolo NW. Sulla stessa muratura sono state fatte anche due tomografie SST nel foro 3 ed un profilo a rifrazione verticale, R29. La tomografìa mette in evidenza una situazione relativamente omogenea, con velocità medie sull'intero spessore tra i 1100 e i 1500 m/s.

Nella zona centrale è presente una forte anomalia dovuta evidentemente ad lina barra in acciaio iniettata. Sulla superficie esterna sono evidenziate due anomalie positive alternate ad aree allentate (effetto del degrado o delle iniezioni?).

Infine nella Torre campanaria al piano terra sono state eseguite nella parete Ovest n° 3 tomografie SST indipendenti, con espansione verso l'alto (profilo rosso), verso il basso (profilo blu) e verso destra (profilo verde). Fino a 0.4 m tutti i profili mettono in evidenza buon materiale, con velocità maggiori in direzione verticale (quasi 3000 m/s in alto, tra 2100 e 2600 in basso) e minori ma sempre elevate (2000 m/s) in direzione orizzontale, comportamento tipico delle strutture murarie. Tra 0.4 e 0.9 m si hanno valori minori (intorno ai 1200 m/s) salvo un picco elevatissimo solo nel profilo verso l'alto (che deve aver incontrato uno dei pali iniettati). Oltre 0.9 m si ha un ulteriore calo a velocità molto basse (5-i 600 m/s). Le misure microsismiche sono state integrate con un'indagine sulle malte con il penetrometro Gucci (PENT-G), uno strumento che permette di valutare la resistenza della malta e di ricostruire la resistenza delle murature. L'analisi dei risultati mette in evidenza come le malte utilizzate nelle diverse parti della Cattedrale abbiano caratteristiche meccaniche sensibilmente diverse le une dalle altre.

Nel paramento esterno destro e in quello dell'abside la malta, utilizzata in strati sottili per sigillare i commenti tra le pietre squadrate e accostate le une alle altre, ha una resistenza medio-bassa stimata tra 2.8 e 5.6 N/mmq. Le letture effettuate sullo strato superficiale hanno dato valori simili a quelle ottenute, scarificando preventivamente la superficie dei commenti. La boiacca utilizzata nelle iniezioni di rinforzo di questi elementi ha invece caratteristiche nettamente superiori (22.6 N/mmq). I valori diminuiscono sensibilmente se ci si sposta sul muro esterno sinistro. Qui la muratura è formata da pietre di forma irregolare con notevole quantitativo di malta. La muratura si presenta degradata, in quanto sono visibili numerosi vuoti e porzioni di malta erose. Nella malta sono presenti inerti di grosse dimensioni, superiori a 1 cm, che hanno reso più difficoltosa la misura. La resistenza a compressione stimata va da 0.6 a 1.2 N/mmq, valori decisamente bassi.

Le prove di laboratorio hanno interessato i materiali da costruzione della Cattedrale. Il prelievo di tali materiali, durante la campagna delle prove in sito, è stato fatto prevalentemente per mezzo di carotaggi sulle opere murarie; alcuni spezzoni si sono prelevati direttamente. In sintesi i materiali da costruzione reperiti sono raggruppati in cinque tipologie:

- elementi di muratura costituiti da blocchi arenacei cementati;

- elementi di muratura costituiti da blocchi arenacei a debole cementazione; - elementi di muratura in laterizio;

- boiacca di consolidamento;

- malta legante della muratura.

Per ogni tipologia di materiale si sono eseguite una serie di test per la determinazione . delle caratteristiche intrinseche, fisiche e meccaniche, che sono riportate nella relazione Forlani. Sui materiali da costruzione, oltre ai test fisico-meccanici, si sono effettuate delle analisi chimiche-mineralogiche-petrografiche. I risultati di tali prove vengono descritti nella Relazione Foriani. Su n° 2 campioni di malta cementizia sono state eseguite delle analisi mineralogiche per diffrattometria a raggi X con dosaggio del CaC03 totale per calcimetria; successivamente i due campioni sono stati esaminati secondo la procedura petrografica in sezione sottile. Tali campioni analizzati si riferiscono alla malta di iniezione (del riempimento della volta della navata centrale); e ad un campione prelevato in sondaggio dalla muratura della zona basale della facciata lato Ovest e corrispondente alla malta di collegamento dei conci lapidei. I risultati sono presentati nella citata Relazione.

Inoltre la Relazione Forlani presenta la visualizzazione solida della Cattedrale. Lo studio è suddiviso in due modellazioni: uno che riguarda la struttura della Chiesa Cattedrale e uno che riguarda la Torre Campanaria. Gli stati deformati e le tensioni in alcuni punti caratteristici delle strutture sono riportati negli allegati di Forlani. Sinteticamente, per quanto riguarda la Chiesa, è segnalato che:

- la struttura presenta, per il solo effetto dei carichi statici, una dissimmetria che fa deformare maggiormente la struttura dal lato piazza;

- la deformata elastica massima è dell'ordine dei 2 mm; - le tensioni maggiori sono riscontrate a livello del portico lato piazza, le cui colonne hanno delle tensioni dell'ordine dei 40 Kg/cmq;

- le colonne centrali della Chiesa hanno delle tensioni comprese tra 11 kg/cmq (lato campanile) 14 kg/cmq (lato piazza);

- i muri laterali hanno tensioni di 3-4 kg/cmq; - le strutture delle volte inferiori hanno delle tensioni che oscillano tra i 2 kg/cmq di trazione e i 4 kg/cmq di compressione;

- la volta superiore, per la sua conformazione presenta invece delle trazioni che non superano i 4 kg/cmq e compressioni di 2 kg/cmq.

Per la torre Campanaria è stata eseguita sia l'analisi statica sia quella dinamica per struttura sottoposta ad un sisma di 1° categoria. Le sollecitazioni ottenute per effetto di un sisma diretto secondo due direzioni ortogonali sono state composte con le sollecitazioni ottenute in condizione stanca. Riassumendo si ottengono le seguenti considerazioni:

- la deformata elastica massima è circa 1.3 mm;

- le tensioni maggiori di compressione in condizioni statica sono riscontrate a livello fondazioni e sono dell'ordine dei 10 kg/cmq;

- per effetto di un sisma di prima categoria le tensioni di lavoro a compressione diventano dell'ordine dei 20 kg/cmq e a trazione dell'ordine dei 10 kg/cmq (lato piazza);

- la deformata elastica in condizione sismica è dell'ordine dei 6 mm in sommità;

- i comportamenti delle cerchiature in acciaio (Bordoni 1750) e le successive del 1903, non trovano un riscontro nella simulazione al modello perché allo stato attuale scollegate; in realtà le rotture riscontrate potrebbero derivare dall'ammaloramento dei materiali e solo parzialmente dalla trazione esercitata sugli stessi, o da effetti sismici.

In conclusione si evince dalle analisi Forlani che "il Monumento nella sua complessa interezza è sostanzialmente in condizioni discrete, così come risulta dai valori medi riscontrati. Ma alcune analisi hanno dimostrato in realtà come i valori medi siano il frutto di una successione di zone ad alta velocità ed alto valore di moduli elastici, con altre molto basse, che non predispongono a giudizi ugualmente positivi specialmente per i comportamenti disomogenei in caso di sisma". E sono citati, tra gli interventi urgenti, quello sul lato Nord del portico, per la muratura e per le colonne, o-quello sulla volta della navata centrale; su tali interventi la relazione Forlani fornisce alcuni suggerimenti, con il ricorso a prodotti fibro-compositi, rispetto all'acciaio più resistenti, molto più leggeri, inattaccabili dalle ossidazioni e dalle alterazioni nel tempo. Le uniche diverse posizioni tra i due Gruppi di Studio sono, nel particolare, che per lo Studio Forlani le tomografie indicano chiaramente gli effetti di barre iniettate in sovrapressione, che ha rotto il legame coesivo delle malte nell'immediato intorno, mentre per lo Studio Guemeri-Sposito ciò è probabile.