Serbatoio idrico: un caso di recupero edilizio

Questo interessante caso di recupero di un serbatoio idrico nell’area milanese ci mostra come sia possibile intervenire su strutture esistenti, anche quelle pensate per funzioni molto specifiche.

Il contesto di recupero del serbatoio idrico

Riqualificare il patrimonio edilizio italiano vuol dire confrontarsi con tipologie edilizie e strutturali davvero differenti tra loro. pensiamo agli edifici di interesse culturale, alle scuole e ancora alle strutture residenziali e a quelle pensate ed ora riadattate per specifiche funzioni come i serbatoi idrici a torre.

Il serbatoio esaminato in questa breve memoria nasce nel contesto produttivo della metropoli milanese. In particolare esso fa parte dell’ex area destinata a deposito chimico della SAI Montedison, il cui stabilimento, visibile nella foto che segue, è ad oggi abbattuto.

Il contesto urbano in cui è inserito il serbatoio è ora oggetto di riqualificazione edilizia. Le nuove funzioni pensate per gli immobili principali e gli spazi urbani ridisegnano anche le funzioni delle strutture di servizio come il serbatoio oggetto di questo esempio di calcolo.

Indagini diagnostiche per il recupero del serbatoio idrico

Sul serbatoio a torre sono state effettuate tre campagne di indagini e prove: la prima nel 2011, la seconda nel 2018 e l’ultima nel 2019.

La campagna di prove del 2011

Le prove sul serbatoio del 2011 hanno previsto nello specifico:

• saggi esplorativi sulle fondazioni,
• misure magnetometriche,
• saggi esplorativi per l’individuazione delle armature esistenti,
• prove sclerometriche per la determinazione della resistenza del calcestruzzo
• e infine prove con fenoftaleina per definire il grado di carbonatazione.

La campagna di prove del 2018

Nel 2018 sono stati aggiornati i controlli pregressi. A questo scopo si effettuano infattI.

• la pulitura con taglio della vegetazione,
• la valutazione visiva dello dell’ammaloramento/degrado,
• la verifica e individuazione di eventuali nuove lesioni
• ed in ultimo il rilievo geometrico con laser scanner per la verifica dello scostamento dalla verticalità del serbatoio idrico.

Le indagini del 2019

A queste indagini, si aggiungono inoltre nel 2019 le prove dinamiche operative della struttura attraverso la misura con accelerometri delle frequenze proprie del serbatoio. Infine le valutazioni geologiche fatte sull’area completano il quadro conoscitivo per la struttura in esame.

Il risultato delle campagne di indagine permette dunque di definire i seguenti aspetti per il serbatoio oggetto di recupero:

• geometrie,
• schema statico,
• comportamento dinamico,
• caratteristiche meccaniche,
• stato di conservazione della struttura.

Modello di calcolo per il recupero del serbatoio idrico

Il primo passaggio per procedere alla valutazione della sicurezza del serbatoio idrico e progettarne gli interventi di recupero strutturale è definire un modello di calcolo aderente al vero e alle indagini diagnostiche effettuate. La fase preliminare per la valutazione dei numeri attribuibili al comportamento del serbatoio è quindi la giustificazione del modello di calcolo. Ci atteniamo a tale scopo alle indicazioni delle Norme Tecniche per le Costruzioni:

Norme Tecniche per le Costruzioni

Nelle costruzioni esistenti le situazioni concretamente riscontrabili sono le più diverse ed è quindi impossibile prevedere regole specifiche per tutti i casi. Di conseguenza, il modello per la valutazione della sicurezza dovrà essere definito e giustificato dal Progettista, caso per caso, in relazione al comportamento strutturale attendibile della costruzione, tenendo conto delle indicazioni generali di seguito esposte.

Validazione del modello di calcolo

Per validare il modello di calcolo del serbatoio occorre ora verificare i parametri di quattro fattori:

• fondazioni e vincoli cinematici,
• coefficienti fessurativi,
• fattore di comportamento,
• frequenze proprie.

Il metodo di validazione è a tutti gli effetti un processo iterativo. Occorre infatti interfacciare la creazione del modello FEM del serbatoio, la lettura dei risultati ed il confronto con le indagini effettuate.

Nel modello di calcolo è descritto ad esempio il comportamento delle fondazioni per come sono state rilevate dai controlli effettuati. Questo primo approccio è poi messo “a sistema” con la determinazione delle frequenze proprie della struttura valutate a mezzo di un’analisi dinamica modale. I risultati sono confrontati in seguito con le frequenze proprie rilevate dalle misurazioni effettuate sul serbatoio idrico oggetto di recupero strutturale.

Con lo stesso metodo iterativo sono stati considerati i coefficienti fessurativi per i materiali esistenti in funzione del tasso di lavoro rilevato dall’analisi. A tale scopo si confrontano i risultati con il comportamento del serbatoio attraverso un’analisi non lineare. Si definiscono così in modo correlato sia i coefficienti fessurativi sia il fattore di comportamento da utilizzare nell’analisi lineare.

Come determinare l’azione del vento nel caso di recupero del serbatoio idrico

Una volta definito il modello di calcolo corretto, e quindi lo schema statico da utilizzare per l’analisi, occorre individuare le azioni da applicare al serbatoio.

A causa della sua forma e della localizzazione nel contesto urbano, è importante valutare l’azione che ha il vento sul serbatoio idrico oggetto di recupero.

A tale scopo facciamo riferimento alla Circolare 7 del 2019 e alle indicazioni in essa contenute circa l’applicazione del vento su strutture a pianta circolare. Nello specifico, si valuta la pressione esercitata dal vento sulle diverse superfici del serbatoio, considerando la variabilità della direzione e il rapporto tra il diametro in pianta e l’altezza del serbatoio.

Si determina in questo modo un flusso tridimensionale che viene schematizzato con l’applicazione di carichi superficiali variabili per ciascun elemento strutturale coinvolto.

Come determinare l’azione sismica sul serbatoio

Innazi tutto ricordiamo che le azioni sismiche di progetto sono valutate rispetto ai vari stati limite (definiti da normativa) in base a due fattori:

• la pericolosità del sito di costruzione,
• la tipologia costruttiva in esame,

In pratica, vita nominale e classe d’uso.

Per la valutazione della sicurezza si da riferimento principalmente allo stato limite di salvaguardia della vita (SLV) corrispondente ad una probabilità di occorrenza del 10% in 50 anni, ovvero corrispondente ad un periodo di ritorno di 475 anni.

La Delibera della Giunta Regionale della Lombardia dell’11 luglio 2014 n.2129 ha classificato in Zona Sismica 3 l’area metropolitana della città di Milano. In tale Zona possono verificarsi forti terremoti, seppure rari, con un accelerazione orizzontale massima convenzionale di 0,15g.

Analisi lineare sismica dinamica modale

Nel seguito faremo riferimento ai risultati derivati dall’analisi lineare sismica dinamica modale.

L’analisi sismica dinamica modale segue le indicazioni del capitolo 7.3.1 delle Norme Tecniche per le Costruzioni con riferimento alla definizione di spettro elastico e spettro di progetto del capitolo 3.2.4 delle stesse norme.

Seguendo il flusso dell’analisi sismica dinamica modale, la scelta dell’espressione di capacità è strettamente legata all’uso di fattori di comportamento che traducano nel calcolo la presenza di non linearità dei materiali e di capacità dissipative.

La scelta di un metodo lineare, invece, ha in sé come limite la possibilità di “fotografare” un solo istante del comportamento strutturale: quello ultimo. Non tiene quindi conto della ridistribuzione delle azioni all’evolversi dei cinematismi che si innescano come conseguenza di azioni esterne, risultato quest’ultimo tipico dell’analisi non lineare.

Per ovviare a questo limite sia il testo della norma europea, l’Eurocodice 8 parte 3, che il testo della Circolare Applicativa 7 del 2019 riportano un criterio di validazione del metodo di analisi lineare. Se tale criterio non è soddisfatto l’analisi lineare in corso è da considerare come non attendibile. Il criterio prevede anzitutto la definizione del parametro ρ valutato come rapporto tra domanda e capacità in termini flessionali di ciascun elemento strutturale.

Verifica strutturale per il recupero del serbatoio idrico

Considerando tutte le condizioni di carico fino ad ora esposte, sia quindi per le combinazioni statiche che sismiche, verifichiamo le singole strutture del serbatoio idrico a torre. Nello specifico, le verifiche effettuate, e qui riportate, sono quelle:

• a taglio
• dei nodi trave-pilastro non confinati
• a flessione/pressoflessione

Verifiche a taglio

Esaminiamo in primo luogo le verifiche a taglio. Facendo riferimento alla Circolare Applicativa 7 del 2019, queste verifiche tengono conto sia delle capacità statiche degli elementi strutturali che degli effetti ciclici dovuti all’azione sismica. Consideriamo quindi la domanda in duttilità μ_d ed in particolare della parte plastica della domanda di duttilità. Questo è il criterio di valutazione che discrimina quando applicare un capacità piuttosto che l’altra. 

Verifiche dei nodi

Esaminiamo ora la seconda tipologia di verifiche. Le verifiche dei nodi non confinati vengono effettuate confrontando le tensioni di compressione e trazione che si sviluppano nei nodi di intersezione tra travi e pilastri con le rispettive resistenze secondo le indicazioni della Circolare Applicativa delle NTC 2018.
La domanda a trazione si determina secondo le specifiche del paragrafo C8.7.2.3.5 della Circolare 7 del 2019.

Verifiche a flessione

Le verifiche a flessione/pressoflessione si effettuano secondo le indicazioni della Circolare 7 del 2019 al paragrafo C8.7.2.2.1. Le capacità sono definite in termini di momento resistente considerando l’azione assiale secondo le specifiche delle Norme Tecniche per le Costruzioni del 2018.

Particolare attenzione va posta alla non simmetria dei risultati. Lo schema statico infatti in prima battuta potrebbe risultare perfettamente simmetrico. In realtà, molto probabilmente per motivi di esecuzione dell’opera, il serbatoio presenta dei disallineamenti geometrici. Un pilastro in particolare ha geometrie diverse da tutte le altre.
La lettura di sintesi dei risultati ottenuti evidenzia una potenziale crisi dei meccanismi fragili, ovvero dell’innesco di rottura a taglio delle travi di collegamento orizzontale. Inoltre è evidente la crisi dei nodi non confinati in prossimità delle difformità geometriche esistenti per il serbatoio.

I tre obiettivi del progetto di recupero

Il progetto di recupero strutturale del serbatoio idrico si propone di raggiungere tre finalità distinte, ma interconnesse tra loro.  
Il primo obiettivo è quello di ripristinare l’integrità degli elementi strutturali. Questo è perseguibile sanando i fenomeni di degrado dovuti alla carbonatazione, e quindi all’espulsione del copri ferro, e ripristinando le superfici in calcestruzzo deteriorate dall’azione del tempo e dalla vegetazione. Tutte le superfici interessate vengono trattate con materiale di ripristino.

Il secondo obiettivo è quello di ripristinare una simmetria geometrica per le strutture verticali. In pratica, si ingrossa la sezione del pilastro più esile, la cui presenza, come evidenziato dall’analisi, porta a stati di sollecitazioni critici per i nodi. Questo intervento è localizzato su un unico pilastro e prevede l’incamiciatura attraverso l’inserimento di nuove barre d’armatura e di materiale di rinforzo.

Il terzo obiettivo è quello di migliorare le capacità strutturali globali del serbatoio, sia in termini di riduzione degli spostamenti che di resistenza. Si vuole tuttavia mantenere la concezione strutturale originaria, con una specifica attenzione anche agli aspetti formali.

Gli interventi progettati per il recupero del serbatoio idrico

Gli interventi progettati ed in fase di messa in opera sono pertanto due:

• l’inserimento di tiranti diagonali in tutti i campi rettangolari. Questo garantisce il mantenimento di un adeguato livello di duttilità e una ridistribuzione delle azioni nel serbatoio che conduca ad un tasso di lavoro più basso per i meccanismi di pressoflessione nei singoli elementi strutturali
• Il rinforzo a taglio degli elementi critici del serbatoio, in prossimità dei giunti, a mezzo di tessuti fibrorinforzati.

Conclusioni

Il progetto di consolidamento strutturale della torre piezometrica è stato sviluppato a partire da approfondite indagini diagnostiche ed è stato verificato tramite l’implementazione di modellazioni numeriche ad elementi finiti. Per i calcoli strutturali e sismici si è usato il software TRAVILOG.

La scelta di interventi minimi, compatibili con la struttura esistente ed essenzialmente basati sull’introduzione di controventi ad “X” in barre di acciaio, ha consentito il raggiungimento di significative riduzioni delle azioni interne agli elementi strutturali e degli spostamenti, soprattutto in presenza di sisma.

Al progetto strutturale del serbatoio è seguito un interessante riutilizzo del medesimo, con finalità di recupero e stoccaggio delle acque per l’irrigazione dei giardini del complesso. Si tratta dunque di un esempio di rifunzionalizzazione di una particolare archeologia industriale dismessa, che trova una nuova funzione nel più ampio progetto di riqualificazione urbana. All’utilizzo del bene, non pensato in termini di “monumento di sé stesso”, consegue una periodica manutenzione programmata, utile alla conservazione futura.
Non ultimo, occorre evidenziare che i costi relativi ad una possibile demolizione risultano paragonabili a quelli dell’intervento di consolidamento strutturale.