Analisi strutturale per il recupero di edifici industriali

RECUPERO
PROGETTARE
Un caso studio: la ciminiera di Crespi d’Adda
Analisi strutturale
per il recupero di edifici
industriali
A. Anzani, A. Baila, P. Bamonte, P. Condoleo, C. Togliani
Durante la rivoluzione industriale
l’impiego di nuovi processi
di combustione portò a una
grande diffusione di ciminiere in
muratura. Nei paesi occidentali
tali manufatti assunsero valore
simbolico contribuendo a
configurare lo skyline di aree che
oggi consideriamo archeologia
industriale.
Manifestazioni ripetitive di danno di
tali strutture sembrano essere relativamente indipendenti dalla geometria e
dalla collocazione geografica e più legate, invece, alle onerose condizioni di
esercizio caratterizzate da forti sollecitazioni termiche.
La ciminiera oggetto del presente
articolo fa parte del villaggio industriale di Crespi d’Adda vicino a
Capriate San Gervasio (Bergamo),
inserito nella lista del Patrimonio
Mondiale dell’Unesco nel 1995.
Costruita alla fine dell’Ottocento,
presenta forma troncoconica, doppia parete in muratura per garantire un migliore isolamento termico,
altezza intorno ai 65 m e base a
* Politecnico di Milano, Dipartimento di Design,
DICA, Dastu.
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prisma ottagonale (figure 1 e 2). In
sommità è evidente una forte curvatura, mentre l’intera canna è interessata da un quadro fessurativo
caratterizzato da lesioni verticali,
orizzontali e diagonali.
La valutazione dello stato di danno e
del comportamento strutturale della
ciminiera deve prevedere un’indagine
in sito, l’esame della sezione trasversale della muratura attraverso micro-carotaggi ed endoscopia per verificare
se la sua geometria reale corrisponde
a quella rappresentata nei disegni di
progetto, la caratterizzazione dei materiali attraverso prove soniche e con
martinetti piatti al di sopra del livello
basamento, il prelievo di mattoni e
malta per prove di laboratorio e una
modellazione numerica. L’analisi dei
primi risultati ottenuti dall’indagine
in sito e dalla modellazione numerica ha permesso di evidenziare alcuni
aspetti cruciali.
STATO DI DANNO
Durante il rilievo del quadro fessurativo, eseguito tramite un cestello elevatore, è stato possibile osservare alcuni
precedenti interventi, come l’applicazione di cerchiature, la risarcitura di
alcune lesioni e la sostituzione della
parte sommitale del coronamento
(fig. 3).
La tessitura muraria appare molto re19
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Fig. 2 - Progetto della ciminiera tratto dall’Archivio Storico di Crespi D’Adda
Fig. 1 - Vista della ciminiera
golare, per lo più con mattoni posti di
testa, anche se localmente si notano
alcuni giunti verticali con sfalsamenti
assenti o molto piccoli (fig. 4). Nella parte superiore (49-65 m), i giunti
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sembrano essersi distaccati dai mattoni, ed essere soggetti a erosione. Si
osservano alcune efflorescenze saline
(fig. 5).
Il quadro fessurativo è stato analizzato
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solo esternamente, senza quindi poter
individuare se le fessure siano passanti. La ciminiera presenta lunghe fessure verticali (fig. 6), per lo più sul lato
sud, da circa 18 a 43 m dal suolo. La
fessura principale, risarcita con malta
durante un precedente intervento, si è
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ora nuovamente aperta con una significativa perdita di materiale nel punto
di massima larghezza (da 4 a 7 mm),
a una quota di circa 17 m (figure 7
a), 7 b) .
Gli altri lati, privi di fessure fino a
un’altezza di circa 43 m, presentano
da questa quota fessure inclinate di
45° solo in corrispondenza dei giunti
di malta (figure 8 a), 8 b) . Da un’altezza di circa 49 m alla sommità, sono
state identificate fessure orizzontali
principalmente nei giunti di malta
(figure 9 a), 9 b).
L’inclinazione della ciminiera inizia al
di sopra della base ottagonale (fig. 10)
e si mantiene costante fino a un’altezza di circa 60 m, aumentando nella
parte superiore. I valori di spostamento misurati variano da 33 cm a un’altezza di circa 60 m a quasi 55 cm in
sommità lungo la direzione X, mentre
in direzione Y i valori sono molto più
bassi (minori di 10 cm).
ANALISI STRUTTURALE
Fig. 3 - Coronamento sommitale
Fig. 4 - Giunti verticali con ridotto sfalsamento
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Il quadro fessurativo osservato, tipico
delle ciminiere in muratura, è probabilmente causato da diversi fattori. La
sua concentrazione nella parte superiore porta a escludere che sia causato
dal vento che invece avrebbe comportato fessurazioni significative anche
nella parte inferiore.
In virtù dello schema statico adottato (mensola incastrata al piede) e del
comportamento del materiale che,
per bassi livelli di sollecitazione è
elastico lineare, l’effetto dei gradienti
termici e del peso proprio può essere
studiato per sovrapposizione degli effetti, nel rispetto del comportamento
cinematico. La snellezza della struttura è tale che il suo comportamento
sia assimilabile a quello di una trave
snella, con sezioni che rimangono
piane, anche in condizioni deformate, e ortogonali alla linea d’asse (anche grazie ai setti orizzontali e verticali che collegano la corona interna a
quella esterna).
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Fig. 5 - Presenza di efflorescenze saline e di patina scura superficiale
Fig. 6 - Rilievo del quadro fessurativo
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Il comportamento della sezione sottoposta a gradienti termici è stato
studiato mediante un modello piano a elementi finiti. Per simulare gli
effetti di riscaldamento, sono state
imposte una temperatura di 100 °C
sulla superficie interna e una di 20 °C
nell’intercapedine. Lungo lo spessore
della prima corona circolare è stata assunta una variazione logaritmica per
rappresentare un trasferimento di calore stazionario.
Il materiale è stato considerato elastico lineare (E = 3500 MPa, S = 0,2),
con un coefficiente di dilatazione ter“ˆV>ÊrÊxÊUÊ£ä‡ÈÊc
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Per quanto riguarda i vincoli al contorno, sono state considerate le due situazioni limite di sforzo piano (= assenza
di confinamento verticale) e di deformazione piana (= confinamento perfetto, deformazione verticale nulla).
I valori delle tensioni principali massima e minima, nella condizione di
sforzo piano, sono mostrati rispettivamente nella figure 11 a) e b).
Le più elevate sollecitazioni di compressione si verificano in direzione circonferenziale, sulla superficie più calda,
come è lecito attendersi. Il loro valore
non è trascurabile (~1,30 N/mm2) ma
naturalmente dipende linearmente dai
valori ipotizzati per E e per il coefficiente di dilatazione termica.
Per quanto riguarda le massime sollecitazioni di trazione, esse si verificano
sulla superficie fredda a contatto con
l’intercapedine a 20 °C; il loro valore
(~ 0,65 N/mm2) è chiaramente oltre
i valori comunemente accettati per la
resistenza a trazione della muratura
(~ 0,20 N/mm2). Se la dilatazione termica nella direzione verticale è completamente ostacolata (Jz = 0, condizione di
deformazione piana), le tensioni principali risultanti sono quelle mostrate nelle
figure 12 a), b) e c). Nel complesso non
si riscontrano grandi differenze nella distribuzione delle sollecitazioni, rispetto
al modello di sforzo piano; viceversa, i
valori sono leggermente più alti nel caso
di deformazioni piane.
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Fig. 8 - a) Lesioni diagonali e cerchiature di confinamento; b) dettaglio di
una lesione diagonale ristilata
Fig. 7 - a) Lesioni verticali sul fronte sud; b) particolare della perdita di
materiale successiva alla risarcitura
Fig. 9 - a) Vista di una fessura orizzontale all’interfaccia tra malta e mattoni; b) Riapertura di fessure diagonali e orizzontali ristilate
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In entrambi i casi la corona esterna
non è interessata dai gradienti termici,
grazie alla presenza dell’intercapedine.
Il modello assialsimmetrico adottato,
pur non potendo spiegare la curvatura rilevata in loco, tuttavia consente
di ricondurre il quadro fessurativo
ai gradienti termici nel periodo di
esercizio probabilmente sommati al
gradiente termico causato delle temperature ambientali. Le lesioni orizzontali potrebbero essere dovute alla
deformazione differenziale che si verifica tra il lato nord e il lato sud, essendo il lato sud esposto a temperature
più alte. La prevalenza di lesioni in
sommità potrebbe essere dovuta sia al
minore confinamento svolto dal peso
proprio sia all’assenza dell’intercapedine nella porzione sommitale, con
una conseguente maggiore sensibilità
ai gradienti termici dovuti alle passate
condizioni di esercizio.
CONCLUSIONI
Il quadro fessurativo tipico osservato
su una ciminera in muratura patrimonio mondiale dell’UNESCO è stato
studiato attraverso modelli a elementi
finiti 2D, basati sul comportamento
piano negli sforzi e su quello a deformazione piana. Effetti termici dovuti
alla sovrapposizione di risultati differenziali causati dal riscaldamento interno durante i periodi di esercizio e
dall’esposizione solare sembrano probabilmente giustificare il quadro fessurativo e la curvatura della ciminiera.
Ulteriori fasi della ricerca si concentreranno sull’esame della sezione trasversale della muratura attraverso microcarotaggi ed endoscopia per verificare
se la sua geometria reale corrisponde
a quella rappresentata nei disegni di
progetto. Si intende inoltre effettuare una caratterizzazione dei materiali
attraverso prove soniche e con martinetti piatti al di sopra del livello basamento, il prelievo di mattoni e malta
per prove di laboratorio.
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Fig. 10 - Fuori piombo della ciminiera
Per approfondire
Jurina L., Mazzoleni M. (2001) Un sistema di “cerchiatura interna per il consolidamento di ciminiere in muratura, Tercer Colloquio Latinoamericano sobre Rescate Y
Preservaciòn del Patrimonio Industrial, Santiago del Cile, 13-16 Settembre 2001
Lourenço P. (2002) Computation on historic masonry structures, Progress in Structural Engineering Materials, 4:301-319
Pallarés F. J., Ivorra S., Pallarés L., Adam J. M. (2011) State of the art of industrial
masonry chimneys: A review from construction to strengthening, in Construction
and Building Materials, 25 4351–4361
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a)
b)
Fig. 11 - Sforzi principali in condizioni di sforzo piano: a) sforzi principali massimi (intervallo = -0.25/0.65 N/mm2); b) sforzi principali minimi
(-1.30/0.20 N/mm2)
a)
b)
c)
Fig. 12 - Sforzi principali in condizioni di deformazioni piane: a) sforzi principali massimi (intervallo = -0.37/0.85 N/mm2); b) sforzi principali minimi
(-1.80/0.22 N/mm2); c) sforzi principali intermedi (-1.70/0.27 N/mm2)
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