Serbatoio idrico: un caso di recupero edilizio

Ultimo aggiornamento: 16/01/2020 - Prof. Ing. Lorenzo Jurina, Studio Jurina - Ing. Simone Tirinato, Ricerca e Sviluppo Logical Soft - Riproduzione riservata

Riqualificare il patrimonio edilizio italiano vuol dire confrontarsi con tipologie edilizie e strutturali davvero differenti tra loro: dagli edifici di interesse culturale alle scuole e ancora dalle strutture residenziali 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.

vista aerea ex area sai montedison
Foto aerea dell’area ex SAI Montedison, risalente al 1975. La zona era delimitata ad ovest (in basso) da via Gargano e ad est (in alto) da via Broni. Nel cerchio blu si può notare il manufatto in esame. Alla sua sinistra si scorge la storica sede del “Panificio Automatico Continuo” (da Ortofoto Regione Lombardia).

Il contesto urbano in cui è inserito il serbatoio è ora oggetto di riqualificazione edilizia e 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. Qui di seguito i passaggi con i quali analizziamo il recupero strutturale del serbatoio idrico:

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Serbatoio idrico a torre
Serbatoio idrico a torre

Indagini diagnostiche

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.
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 prove con fenoftaleina per definire il grado di carbonatazione.

Nel 2018 sono stati aggiornati i controlli pregressi attraverso la pulitura con taglio della vegetazione, la valutazione visiva dello dell'ammaloramento/degrado, la verifica e individuazione di eventuali nuove lesioni e il rilievo geometrico con laser scanner per la verifica dello scostamento dalla verticalità del serbatoio idrico.

A queste indagini nel 2019 sono state aggiunte 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.

Indagini diagnostiche per il recupero edilizio di un serbatoio a torre
Indagini diagnostiche per il recupero strutturale di un serbatoio a torre

Il risultato delle campagne di indagine permette 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

Il primo passaggio per procedere alla valutazione della sicurezza del serbatoio idrico e progettarne gli interventi necessari al 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 così come prescritto dalle 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.


La validazione del modello di calcolo del serbatoio è stata effettuata verificando e definendo i parametri di quattro fattori:

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

Il metodo di validazione è un processo iterativo che interfaccia tra loro 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 ed i risultati confrontati in seguito con le frequenze proprie rilevate dalle misurazioni effettuate sul serbatoio oggetto di recupero strutturale.

Rilievo delle frequenze proprie della struttura con accelerogrammi
Rilievo delle frequenze proprie della struttura con accelerogrammi


Taratura del modello con le frequenze proprie della struttura
Taratura del modello con le frequenze proprie della struttura

Con lo stesso metodo iterativo sono stati considerati i coefficienti fessurativi per i materiali esistenti in funzione del tasso di lavoro rilevato dall’analisi, confrontando i risultati con il comportamento del serbatoio attraverso un’analisi non lineare. Sono stati così definiti in modo correlato sia i coefficienti fessurativi che il fattore di comportamento da utilizzare nell'analisi lineare.

Analisi non lineare per la valutazione del reale comportamento dissipativo del serbatoio
Analisi non lineare per la valutazione del reale comportamento dissipativo del serbatoio

Azione del vento e azione sismica

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

Per la sua forma e la localizzazione del serbatoio nel contesto urbano è importante valutare l'azione del vento sul serbatoio idrico da riqualificare.

Per valutare tale azione ambientale è opportuno fare riferimento alla Circolare 7 del 2019 e alle indicazioni in essa contenute circa l'applicazione del vento su strutture a pianta circolare. Nello specifico viene valutata 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. Viene così determinato un flusso tridimensionale che viene schematizzato con l'applicazione di carichi superficiali variabili per ciascun elemento strutturale coinvolto.

Azione del vento sul serbatoio idrico a torre
Azione del vento sul serbatoio idrico a torre

Le azioni sismiche di progetto sono valutate rispetto ai vari stati limite (definiti da normativa) a partire dalla pericolosità del sito di costruzione, e dalla tipologia costruttiva in esame, cioè Vita Nominale e classe d’uso. Per la valutazione della sicurezza si è fatto 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, ma rari, con un accelerazione orizzontale massima convenzionale di 0,15g.
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 ha in se come limite la possibilità di "fotografare" un solo istante del comportamento strutturale: quello ultimo, senza tenere 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

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

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

Le verifiche a taglio, con particolare riferimento alla Circolare Applicativa 7 del 2019, tengono conto sia delle capacità statiche degli elementi strutturali che degli effetti ciclici dovuti all'azione sismica. Viene quindi considerata la domanda in duttilità μd ed in particolare della parte plastica della domanda di duttilità. Questo il criterio di valutazione che discrimina quando applicare un capacità piuttosto che l'altra. 

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 viene determinata secondo le specifiche del paragrafo C8.7.2.3.5 della Circolare 7 del 2019.

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.

Verifica delel capacità strutturali del serbatoio
Verifica delle capacità strutturali del serbatoio

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 ed 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 e la crisi dei nodi non confinati in prossimità delle difformità geometriche esistenti per il serbatoio.

Analisi della verticalità del serbatoio oggetto di recupero edilizio
Analisi della verticalità del serbatoio oggetto di recupero strutturale

Progetto degli interventi

Il progetto di recupero strutturale del serbatoio si propone di raggiungere tre finalità distinte, ma interconnesse tra loro.  
Il primo obiettivo è quello di ripristinare l'integrità degli elementi strutturali, 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 ossia, in pratica, ingrossando 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, mantenendo la originalità della concezione strutturale originaria, con una specifica attenzione anche agli aspetti formali.
Gli interventi progettati ed in fase di messa in opera sono pertanto due:

  • l'inserimento di tiranti diagonali in tutti i campi rettangolari per garantire 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. 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.

Progetto degli interventi per il recupero edilizio del serbatoio idrico a torre
Progetto degli interventi per il recupero strutturale del serbatoio idrico a torre

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Lorenzo Jurina - Professore Ingegnere
Lorenzo Jurina
Professore Ingegnere

Professore Universitario di Tecnica delle Costruzioni presso il Politecnico di Milano. Professore presso scuole di specializzazione sul territorio nazionale e internazionale. Docente in Master universitari e corsi di Dottorato. Membro ICOMOS.
Tra le principali attività di docenza: Tecnica delle Costruzioni, Consolidamento di Strutture, Problemi strutturali nell'edilizia storica e monumentale, Conservazione dei Beni Architettonici, Conservazione dei Monumenti e Ciencia y Tecnología en Patrimonio Arquitectónico.
Ingegnere Civile specialista nel campo della diagnostica strutturale e nella progettazione delle opere di consolidamento di edifici storici. In particolare si occupa di individuazione di fenomeni di dissesto, rilievo e interpretazione di quadri fessurativi, interventi su strutture in calcestruzzo armato, muratura e legno.
Iscritto dal 1976 all'Albo degli Ingegneri della Provincia di Milano. Certificato Qing - 2° livello, comparto Strutture per la specializzazione Progettazione, direzione lavori e collaudo nel campo del consolidamento strutturale di edifici complessi e storico monumentali.


Simone Tirinato - Ingegnere civile
Simone Tirinato
Ingegnere civile
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Ingegnere civile dedicato al calcolo strutturale.
Svolgo l’attività di analista strutturale per lo sviluppo di codici di calcolo strutturali per il software TRAVILOG di Logical Soft srl, nello specifico per l’analisi statica e sismica di edifici nuovi ed esistenti in calcestruzzo armato, muratura, acciaio e legno.
Ho coordinato lo sviluppo degli applicativi per dispositivi mobili per il rilievo delle criticità energetiche e strutturali nell'edilizia scolastica e residenziale ideati da ENEA: Safeschool4.0 e Condomini+4.0.
Ho svolto attività di analisi per lo sviluppo degli algoritmi di calcolo del software ACUSTILOG di Logical Soft srl per la valutazione previsionale dei requisiti acustici passivi di un edificio e per la classificazione acustica.
Svolgo attività di docenza e formazione sui temi dell’analisi strutturale, della vulnerabilità sismica e della riqualificazione del patrimonio esistente anche attraverso i bonus fiscali sul territorio nazionale, in ambito professionale e in collaborazione con Ordini Professionali.
Svolgo inoltre attività di supporto alla didattica per il corso "Strutture e criteri di progettazione antisismica" nel corso di Laurea Magistrale di Architettura al Politecnico di Milano.
Come libero professionista svolgo attività di progettazione strutturale, direzione lavori strutturali e consulenza per analisi strutturale in edilizia civile e industriale.
Svolgo infine attività di consulenza in ambito comunale in regione Lombardia per l’attività di controllo delle pratiche edilizie in ambito sismico previste dal sistema MUTA.

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