Varför lutar tornet i Pisa?

Tornet lutar för att marken under det är mjuk och sammantryckbar. Grunden är bara 19,6 meter i diameter och som djupast 5,5 meter under mark, enligt John Burland, professor i jordmekanik vid Imperial College i London. Den bär ett torn på omkring 14 500 ton.

Redan under bygget började marken ge efter. Tornet lutade först åt norr och vände sedan söderut när de övre våningarna kom till. Fenomenet kallas lutningsinstabilitet. Ett högt torn på mjuk mark kan bara byggas upp till en kritisk höjd innan lutningen börjar förstärka sig själv. Burland jämför med att stapla klossar på en mjuk matta.

Tornet var precis vid den kritiska höjden. Hade bygget fortsatt utan avbrott hade det enligt Burland fallit.

Marken under tornet

Marken består av tre lager. Överst ligger lager A, omkring tio meter mjuka siltavlagringar från grunt vatten. Därunder ligger lager B, mycket mjuk marin lera ned till omkring 40 meters djup. Längst ned finns lager C, fast sand.

Grundvattnet står bara en till två meter under markytan. Borrprover visar att lager B:s yta har formats som en skål under tornets tyngd. Av det kan man räkna ut att tornet i genomsnitt har sjunkit omkring tre meter.

Bygget tog nästan 200 år

Bygget började i augusti 1173. Omkring 1178 hade man nått en bit upp på fjärde våningen när arbetet stannade, av okänd anledning. Pausen räddade tornet. Leran hann pressas ihop och bli starkare under tornets vikt.

Arbetet tog upp igen omkring 1272 och stannade på nytt omkring 1278, då sjunde våningen var nådd. Klockvåningen påbörjades omkring 1360 och stod klar omkring 1370, nästan 200 år efter byggstarten. Byggarna försökte rätta till lutningen genom att lägga kilformade stenblock på varje våning. Därför böjer tornets axel åt norr.

Åtgärder som gjorde saken värre

• 1838: arkitekten Alessandro della Gherardesca grävde ut en gång runt tornets fot. Vatten trängde in på södra sidan och lutningen ökade med mer än en kvarts grad.
• 1934: injektering av grundmurverket gav en plötslig rörelse söderut på omkring 10 millimeter.
• 1970-talet: uttag av grundvatten ur de undre sandlagren ökade rörelsen med omkring 12 millimeter.

Hur högt är tornet?

Tornet är 55,86 meter högt på den låga sidan och 56,67 meter på den höga. Burland anger 53,3 meter över mark, mätt på ett annat sätt. Tornet har åtta våningar inklusive klockvåningen och sju klockor.

Konstruktionen är en ihålig cylinder omgiven av kolonnader. In- och utsidan är klädda med tätfogad marmor. Mellan dem finns murbruk och sten med stora hålrum. En spiraltrappa går upp inne i väggarna. Uppgifterna om antalet trappsteg varierar mellan 294 och 296.

• Toppen flyttades 44 cmRäddningen flyttade sjunde våningen 440 millimeter norrut.
• Samma lutning som 1838Efter räddningen lutar tornet som innan Gherardescas utgrävning.
• Klockvåningen 1372Wikipedia anger 1372, Burland omkring 1370.
• Del av världsarvetPiazza del Duomo blev världsarv hos UNESCO 1987.

Så räddades tornet 1990-2001

Tornet stängdes för besökare den 7 januari 1990 och samma år tillsatte Italiens premiärminister en kommission. Utlösande var att ett medeltida torn i Pavia hade rasat 1989.

Varje ingrepp var riskabelt. Minsta störning av marken på södra sidan kunde få tornet att falla. Vanliga metoder som underpålning och injektering var därför uteslutna. Lösningen fick inte heller synas eller ändra tornets karaktär.

1. Stålband runt murverket1992 spändes stålband runt tornet vid första gesimsen och upp längs andra våningen.
2. Blyvikter på norra sidan1993 placerades 600 ton bly på en betongring runt tornets fot. 1995 ökades vikten till 900 ton.
3. SäkerhetskablarI december 1998 fästes kablar i tredje våningen, dragna omkring 100 meter norrut.
4. JordborrningDen 9 februari 1999 började man borra ut jord under norra sidan, först i tolv hål.
5. Full borrningFrån den 21 februari 2000 användes 41 borrhål med en halv meters mellanrum.
6. AvslutDen 6 juni 2001 togs den sista jorden ut. Tornet lämnades tillbaka den 16 juni 2001.

Hur fungerade jordborrningen?

Borren var en ihålig skruv inne i ett motroterande foderrör på 180 millimeter. Den kunde föras in utan att störa marken runt omkring. När borren drogs tillbaka bildades ett hålrum som långsamt slöt sig. Marken under norra sidan sjönk lite i taget.

Allt jorduttag måste ske norr om en kritisk linje ungefär en halv radie in från grundens norra kant. Söder om linjen skulle tornet bli instabilt. Det visade ett fullskaleförsök på en provgrund, som tog sex veckor att stabilisera efter att man borrat för långt söderut.

Tornet styrdes med dagliga mätningar och fax mellan bygget och ansvarig ingenjör. Gröna, gula och röda larmnivåer avgjorde när arbetet skulle stoppas. Nivåerna sattes efter en genomgång av sex års mätningar. Hålen fylldes till sist med bentonitbruk och murverket förstärktes med rostfri armering.

Lutar tornet fortfarande?

Ja, men det är stabilt. Lutningen minskade med 1 830 bågsekunder, ungefär en halv grad. Tornet fortsatte att röra sig norrut en tid efter arbetet. Uppgifterna om dagens lutning varierar beroende på mätmetod.

År 2018 rapporterade övervakningsgruppen att tornet hade rätat upp sig ytterligare fyra centimeter på 20 år. Rörelserna varierade då i snitt med en halv millimeter per år, enligt Nunziante Squeglia vid universitetet i Pisa. I november 2022 beskrev Opera della Primaziale Pisana tornets hälsa som utmärkt, med en lutning på omkring fem meter och en sättning på över tre meter.

Burland räknade med två scenarier 2001, där det i det pessimistiska kan dröja 300 år innan en ny åtgärd krävs. I det optimistiska upphör rörelsen helt, bortsett från små säsongsvisa rörelser när grundvattnet stiger och sjunker.

Varför klarar tornet jordbävningar?

Tornet har klarat minst fyra kraftiga jordbävningar sedan 1280 utan skada. En forskargrupp ledd av Camillo Nuti vid Roma Tre förklarade 2018 varför. Svaret kallas dynamisk interaktion mellan jord och konstruktion.

Tornets höjd och styvhet tillsammans med den mjuka marken gör att tornet inte kommer i resonans med markens rörelser. Samma mjuka jord som fick tornet att luta har skyddat det, konstaterade George Mylonakis vid universitetet i Bristol.

Vad byggbranschen kan lära

Pisa är ett skolexempel på varför grundläggning och geoteknik avgör en byggnads livslängd. En grund som är för liten för marken ger sättningar som inte går att rätta till i efterhand utan stora risker.