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SUL RECUPERO STRUTTURALE DI CIMINIERE AMMALORATE
POSTE IN CENTRI URBANI


Ing. ARTURO DONADIO - Studio S.P.S. di Milano
Dr. GIORGIO BRUNETTI - Studio Tecniter di Milano

SUMMARY

About the recovering of sick chimneys situated in city centres.
In our country there is a set of chimneys built between the end of the nineteenth century and the first half of the twentieth; they are built of bricks in a great variety of techniques and shapes.
Sometimes these very good buildings are still working and they are often situated in many city centres; weather, smog, smokes, thermal stress and vibrations are creating damages and a kind of deterioration which could produce falls and therefore be a big risk for the public safety, if not recognized and faced in time.
This article is about the available diagnostic techniques and the way of recovering already used in true cases.



1. IL CONTESTO

Nell’ambito di un importante ospedale milanese, in piena città, è presente una ciminiera in laterizio alta, funzionante, che però ha presentato notevoli stati di degrado riscontrabili alla vista, nonché la caduta di frammenti di laterizio da quote molto alte, che ha allarmato il sistema di controllo di gestione delle opere ospedaliere.
La ciminiera in funzione presenta un discreto fuoripiombo e di essa non esisteva traccia alcuna di rilievo o di documentazione qualsiasi.
Da notare che oltre agli ammaloramenti e al quadro fessurativo, visionabile ad occhio nudo dal basso, o dagli orizzontamenti degli edifici limitrofi, era da segnalare la presenza di cinque anelli in acciaio di cerchiatura posizionati in passato come rinforzi radiali.
Una stima ad occhio dell’altezza dell’opera, la collocava tra i 30 e i 35 m.


Figura 1.1.
Collocazione della ciminiera all’interno del contesto urbano

2. L’OPERA

L’opera è un esempio di ciminiera in laterizio, facente parte di una famiglia di realizzazioni sorte nell’Italia settentrionale fra la fine del XIX° e i primi anni del XX° secolo.
Di fatto, in quel periodo erano sorte ai fini industriali svariate ciminiere, identificate geometricamente in qualità di camini con “fodera” e di camini a “doppia canna”, in rapporto alla gestione dell’energia sprigionata all’interno che veniva fronteggiata o con un rivestimento refrattario, (interno), o addirittura con una seconda canna più interna alla prima (esterna).
In questo secondo caso l’organizzazione complessiva è costituita dall’affiancamento allo strato portante del fusto di una fodera di mattoni costituente un altro anello concentrico con quello del fusto esterno.
Questo secondo anello in generale era costruito distanziato dalla canna da uno strato di aria di spessore variabile dai 20 ai 50 cm interrotto in corrispondenza di setti radiali, generalmente 8, che collegavano le due canne e portato fino ad un’altezza, alla quale erano ancora accentuate le differenze di temperatura fra interno ed esterno.
Questa condizione geometrica spiega anche il buon funzionamento statico e dinamico nel tempo, di questa tipologia di ciminiere e di camini, come frutto anche dell’efficace collegamento fra le due canne attraverso i setti radiali.
Il sistema va a costituire un elemento spaziale alveolare, capace di assorbire molto bene gli sforzi taglianti.
E’ da sottolineare la grande maestria dei costruttori dell’epoca che, in altezza, andavano rastremando lo sviluppo del fusto in modo continuo all’esterno ed eventualmente con riseghe interne corrispondenti ad intervalli di circa 3 m al fine di contenere il numero delle diverse tipologie di mattoni.
Questi, generalmente disposti di testa all’esterno del fusto presentavano sezione trapezia e faccia curva.
Queste opere fanno assistere oggi ad un vistoso manifestarsi di effetti provocati dalle peculiarità delle condizioni ambientali locali, tipiche dei nostri climi, con riferimento soprattutto al fenomeno del gelo e del disgelo.
E’ da dire pertanto che durante la fase di esercizio, queste opere riescono a contenere lo stato di ammaloramento e di degrado, generalmente limitato alla parte sommitale della canna, con ricorrente sua deviazione rispetto all’asse verticale e con effetti di disgregazione delle malte provocati dall’attacco del microclima acido e umido.
Dopo l’abbandono dell’utilizzo di questi camini, gli effetti del gelo e del disgelo sui materiali componenti, non contrastati per le condizioni di inattività, sono tendenzialmente localizzati nella fascia nord della canna e consistono nella disgregazione delle malte, almeno relativamente agli strati superficiali, e nell’esfogliazione dei laterizi che origina spesso deviazioni dall’asse verticale con effetti evidenti nella parte sommitale della canna.


3. L’APPROCCIO METODOLOGICO

Dovendo diagnosticare lo stato di salute del camino, si è pensato innanzitutto di procedere con un attento rilievo geometrico identificando opportunamente la morfologia esterna, compresa la misurazione dei fuoripiombo.
Dopodichè si è congegnato un arco di prove non distruttive che potessero identificare da un lato anche la geometria interna, rilevando lo spessore delle due canne, dall’altro lato indicare le eventuali aggressioni in corso e il comportamento globale dinamico della struttura.
Quindi si è pensato di procedere con verifiche statiche via via più complicate, partendo da calcolazioni estremamente semplici per finire a importanti analisi agli elementi finiti, limitati tuttavia al campo lineare.
Infine si è proceduto con una mappatura molto precisa degli ammaloramenti riscontrati.
Il complesso di questo approccio ha consentito una diagnosi e successivamente di procedere con un progetto di recupero che, secondo il volere del committente, per ragioni di rapidità e anche di disponibilità finanziaria, è stato impostato come doppio progetto, ovvero un progetto definitivo che comprendesse tutti gli interventi atti alla conservazione e al buon comportamento in esercizio della ciminiera e ad un progetto stralcio esecutivo per le più immediate opere e i più imminenti interventi, da porre urgentemente in essere, ai fini della sicurezza strutturale del camino.


Figura 3.1.
Punti di introspezione endoscopiche delle prove non distruttive.

4. IL RILIEVO

Il rilievo è stato realizzato utilizzando uno strumento di stazione totale elettronica, e data l’impossibilità di accesso ai vari punti di collimazione, le misurazioni sono state realizzate senza prisma ottico; la precisione di queste misurazioni senza prisma ottico è garantita dalla casa costruttrice dello strumento, fino a una distanza di 200 m con una tolleranza di + 5 mm.
Ai fini della misurazione sono state considerate sia la correzione dovuta alla temperatura che la correzione dovuta alla pressione.
I risultati si sono ottenuti misurando le coordinate cartesiane e le coordinate polari rispetto ai tre punti di stazionamento collegati fra di loro, da punti fissi di riferimento comuni.
Il metodo ha consentito di ricavare a varie quote i diametri del fusto esterno della canna, e individuare rispetto all’asse verticale teorico gli scostamenti sezione per sezione.


Figura 4.1.
Rilievo geometrico della struttura.

5. LE PROVE NON DISTRUTTIVE

Occorre dire che a seguito del rilievo è stato realizzato dal committente un ponteggio tutt’intorno alla ciminiera, per tutt’altezza, assolutamente indipendente dalla stessa, al fine di non perturbarne il comportamento dinamico che è stato indagato.
Le indagini non distruttive, per ragioni di budget e per ragioni di minimizzazione dei tempi, sono consistite in sei introspezioni endoscopiche, utili a rilevare la geometria e il manufatto architettonico; sei prove di auscultazione sonica, utili a rilevare lo strato di aggregazione malta-mattone; tre prelievi per tre zone differenti di malte, da indagare con l’analisi chimica, ai fini della ricerca della presenza di sali solubili quali cloruri, solfuri e solfati.
Infine si è proceduto con un’analisi dinamica della ciminiera utile a rilevarne il comportamento sotto sollecitazioni per cause ambientali.
Le endoscopie poste alle varie altezze hanno consentito di individuare i seguenti aspetti: lo spessore del fusto, la presenza di una canna interna e il suo spessore a varie quote, potendo riconoscere la diaframmatura di collegamento con il fusto esterno, la presenza fra canna esterna e canna interna di un deposito di cenere, molto fine, compatta e tendenzialmente umida.
Le analisi chimiche hanno fornito risultati, non preoccupanti, attesa la modesta componente aggressiva riscontrata nelle efflorescenze a contatto con le malte nei vari campioni prelevati. Infatti al più si è rilevata una presenza di 8,67 g su 100 g di malta di solfati, una presenza di 0,059 g su 100 g di cloruri e una minimale presenza di 0,000039 g ogni 100 g di solfuri.
Il campione di efflorescenze prelevato, ha presentato alla temperatura di 600 °C, un residuo in organico pari a 56,65% del totale.
Le prove di auscultazione sonica situate anche queste a vari livelli hanno fornito risultati di velocità media, della singola prova, variabili fra i 1058 m al secondo e 1524 m al secondo.
Questi valori sono associati ad alte dispersioni, con un indice di deviazione standard variabile fra un minimo di 11,7% ed un massimo di 28,42% configurando una discreta disomogeneità fra le misure.
Tuttavia le velocità in gioco, soprattutto attesa l’età della muratura compresa fra gli 80 e i 100 anni, hanno indicato una muratura dalle più che discrete caratteristiche.
L’analisi di caratterizzazione dinamica ha portato ad individuare una prima frequenza propria flessionale sperimentale di 1,1 Hz con successivi picchi alle frequenze di 7,5 Hz (secondo modo), 12 Hz (terzo modo), 18,4 Hz (quarto modo) e 24,9 Hz (quinto modo).
Le verifiche dinamiche prodotte con analisi ad elaboratore su un modello ad elementi finiti in campo elastico dinamico, hanno portato a risultati che hanno mostrato che con un modulo elastico equivalente pari a 40.000 dN al cm2, esiste una buona corrispondenza ingegneristica con i valori sperimentali.
Di fatto applicando questo modulo elastico che è compatibile con i risultati sonici di cui si è detto, si sono ottenute per i primi cinque modi le seguenti frequenze: 1,1 Hz, 4,14 Hz, 9,94 Hz, 17,47 Hz, 26,25 Hz. In altri termini fra la frequenza sperimentale e la frequenza associata all’applicazione di un modulo elastico di 40.000 dN al cm2, le differenze sono nulle per il primo modo, dell’81% per il secondo modo del 26 % per il terzo modo, del 5 % per il quarto modo e del 5% per il quinto modo; se ne evince un comportamento del manufatto in linea con le aspettative teoriche e corrispondente a murature dalle buone risorse di elasticità equivalente.


Figura 5.1.
Risultati delle analisi di caratterizzazione dinamica.

6. VERIFICHE STATICHE

Il calcolo automatico è stato condotto con la metodica degli elementi finiti, utilizzando elementi solidi a 8 nodi e simulando il camino con l’uso delle informazioni raccolte attraverso le indagini.
Si sono realizzate mappature in termini di sforzi diretti secondo gli assi cartesiani e degli sforzi principali.
L’analisi è stata condotta sotto varie ipotesi, ovvero, il calcolo della ciminiera con asse privo di fuoripiombo, il calcolo della ciminiera con asse affetto dal fuoripiombo rilevato e della ciminiera avendo simulato il degrado materico.
Nel primo e nel secondo caso il calcolo è stato effettuato utilizzando come modulo elastico della muratura 25.000 dN al cm2 per un modulo di Poisson pari a 0,20; i carichi considerati sono stati il peso proprio, il vento, secondo D.M. 16/01/1996, e una particolare escursione termica, ovvero, + 20°C sulla faccia esposta pari ad ¼ del perimetro, congiuntamente a - 20°C sulla faccia opposta a quella esposta.


Figura 6.1.
Deformazione della ciminiera causata dal fuoripiombo.

La massimizzazione di queste escursioni termiche è dovuta al fatto che senz’altro si sono reiterati nella vita della ciminiera svariati shock termici, vuoi stagionali, vuoi giornalieri.
Nell’analisi ad asse privo di fuoripiombo, i risultati hanno consentito di concludere che gli sforzi verticali massimi ai fini del sostentamento del peso proprio, sono dell’ordine di 3,5 dN/cm2 (ovvero modesti e corresponsabili della durabilità dell’opera).
Gli sforzi del vento non incrementano particolarmente lo stato tensionale; in pratica quasi ne raddoppiano le compressioni e in linea di principio non dovrebbero causare la nascita di trazioni all’interno dell’organismo strutturale.
Viceversa l’effetto della variazione termica è molto importante, provocando lungo il fusto tensioni verticali di trazione pari a 2-3 dN al cm2, che sono da accumulare alla sollecitazione del peso proprio e trazioni tangenziali diffuse dell’ordine di circa 7 dN al cm2 massimo, che divengono maggiormente importanti alla base incastrata.
Il calcolo con simulazione dell’effetto del fuoripiombo dell’asse rilevato, ha portato a stati tensionali molto simili a quelli della ciminiera retta, e dunque il disassamento, ancorchè sgradevole alla vista, in questo specifico caso non ha rappresentato una preoccupazione ai fini statici.
E’ infine simulato il calcolo conteggiando il degrado materico, simulato riducendo e variando i valori del modulo elastico con un incremento da 25.000 dN/cm2 fino a 40.000 dN/cm2 e un decremento fino a 15.000 dN/cm2 collocando l’introdotto difetto in diverse zone.
Il decremento è stato applicato sia nella zona bassa per la presenza di efflorescenze, sia alternativamente nella zona alta per la presenza di sfogliamenti, rotture e riduzione della malta.
I risultati hanno manifestato stati tensionali che non sono significativamente influenzati dal degrado simulato.


7. GLI AMMALORAMENTI


Il camino è stato diviso in quattro spicchi e a fasce verticali in funzione delle quote di calpestio del ponteggio.
La ciminiera è stata quindi integralmente percorsa e fotografata e filmata; la restituzione fotografica e del film ha consentito di proporre uno schema degli ammaloramenti in atto, dividendo le patologie in: presenza di efflorescenze, annerimenti, sfogliamenti dei mattoni, riduzioni locali delle malte, rotture dei mattoni, fessurazioni generalizzate. Si sono individuati e collocati nell’ambito degli schemi due aspetti, che sono la presenza della canna interna posta fino alla quota rilevata e la quota di colmo degli edifici limitrofi addossati alla ciminiera.
La restituzione di queste mappature, ha evidenziato come le riduzioni di malta siano presenti nella parte alta della ciminiera al di sopra della quota di colmo dei fabbricati limitrofi.
Altrettanto vale per le rotture dei mattoni.
Nella parte bassa, viceversa oltre a qualche sfogliamento è molto presente il fenomeno delle efflorescenze e quello degli annerimenti.
Fessure sono tipicamente e maggiormente localizzate in sommità.
Durante i sopralluoghi si è potuto constatare un fatto curioso, vale a dire: nella parte bassa del camino è stata trovata fuliggine compatta, tendenzialmente umida, interposta fra il paramento esterno e la canna interna. All’interno della canna interna evidentemente le temperature dei fumi sono molto alte: ebbene la superficie esterna risultava praticamente fredda.
A quote un po’ più elevate non si è più rilevata la presenza di fuliggine compatta fra canna esterna e canna interna.
La temperatura dei fumi all’interno del camino evidentemente era più modesta rispetto a quella riscontrabile al 500 piede: ebbene la superficie esterna risultava tiepida! Questo effetto costituisce una sorta di isolamento tra canna interna e canna esterna, raffreddando per così dire artificialmente quest’ultima e favorendo assieme alla concausa di una minor ventilazione, per effetto del mascheramento dei fabbricati limitrofi, la evacuazione delle efflorescenze che invece pervadono a quelle quote il camino.


Figura 7.1.
Particolare della sezione della doppia canna con fuliggine depositata.

L’analisi dei risultati diagnostici ha consentito di concludere che la struttura non era in pericolo di imminente collasso; ma tale pericolo sarebbe divenuto via via sempre più probabile al passar del tempo, laddove non si fosse intervenuto efficacemente.


Figura 7.2.
Tipologia degli ammaloramenti riscontrati.

I pericoli immediati sono di dissesto locale, nella parte alla della ciminiera per l'effetto combinato delle vibrazioni, del vento, agenti su di una parte terminale del fusto che si presenta come gravemente fessurata e lesionata, danneggiata nei mattoni e ridotta e dilavata nelle malte di connessione.
Tuttavia, se recuperata, l’opera possiede risorse per fronteggiare con adeguata sicurezza gli effetti del fuoripiombo costruttivo, di escursioni termiche e ventosi, così come dimostrato dagli approcci di calcolo teorico.
Il calcolo, ancorchè semplificato nell’ipotesi di considerare il materiale costitutivo ammalorato, quale omogeneo ed isotropo, ha fornito risultati sufficientemente confortanti, salvo la probabile sottostima del quadro tensionale in qualche partizione localizzata peraltro senza che ciò implichi pericolo grave.
In definitiva il quadro diagnostico ha indotto a suggerire interventi manutentivi generalizzati, senza tuttavia operare snaturando la geometria e la meccanica del manufatto, che in passato sono stati concepiti sulla scorta di molteplici positive esperienze ed eseguiti con tecnica e cura particolari, così come testimoniato dagli esigui spessori strutturali, dalla stessa conformazione geometrica dei mattoni utilizzati nonché dalla geometria generale dell’opera.


8. IL PROGETTO DI RECUPERO

Il progetto di recupero ha previsto lo stralcio esecutivo da un progetto definitivo più generale.
Lo stralcio esecutivo ha identificato quali metodiche applicative un risarcimento delle lesioni riscontrate con metodo dello scuci cuci, previa fornitura di appositi mattoni, la ricostruzione delle parti in fase di distacco in sommità, la sostituzione dei mattoni sfogliati e/o rotti, la ristilatura di corsi di malta dove questa si è ridotta o riducibile dall’azione meccanica dell’operaio, la rimozione delle cerchiature esistenti con riposizionamento di nuove cerchiature in acciaio inossidabile collocate a differenti quote ed in numero maggiore rispetto alla preesistenti.
Infine il risanamento della soletta in calcestruzzo armato, sottostante la ciminiera, che si presenta in grave stato di ammaloramento strutturale.
Operazioni riguardanti un intervento futuro meno indispensabile alla sicurezza attuale del manufatto consistono nella rimozione delle efflorescenze e degli annerimenti superficiali, ma soprattutto nella rimozione della fuliggine accumulata fra la canna interna e canna esterna e infine un trattamento della parte esterna con idrorepellenti traspiranti ad alta durabilità.
Infine è stato prescritto di effettuare apposite videoispezioni all’interno della canna, utili al riconoscimento di un eventuale degrado interno, soprattutto per eccesso di temperatura, e colpi di fiamma.
L’intervento esecutivo è in corso di realizzazione.


Figura 8.1.
Particolare esecutivo degli interventi di recupero.

BIBLIOGRAFIA

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- “Moderni metodi di calcolo applicati all’edilizia storica” Il Cantiere per la Conservazione. Tecniche, Esperienze e Interventi sul Costruito. (Ing. A. Donadio).
- G. Pistone, G. Riva, Problemi di recupero delle vecchie ciminiere in opera laterizia: esperienze in Piemonte e nel Veneto. Costruire in Laterizio n. 79 Gen-Feb 2001
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- G. Brunetti, Tecniche non distruttive per la diagnosi in Tecniche della Conservazione pp. 228 – 284 ed. Franco Angeli Milano 1990.


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