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Ciminiere di acciaioper impianto produzione energia costruite in Lombardia

Steel chimneys manufactured in Lombardy for an energy production plant

Riccardo Serafin

L’articolo riguarda la realizzazione di 2 cimi-niere in acciaio del tipo “a canna autoportante” realizzate nell’ambito di un impianto per la pro-duzione di energia. La tipologia, le dimensioni e soprattutto l’altezza, 120 m, ne determinano la significatività strutturale nell’ambito delle speci-fiche applicazioni dell’acciaio in manufatti di tale tipologia. Attualmente le ciminiere risultano es-sere le più alte tra quelle realizzate in acciaio con questa tipologia nell’ambito del continente euro-peo. Esse dimostrano le possibilità applicative ed i vantaggi economici dell’utilizzo dell’acciaio per manufatti tradizionalmente realizzati con canna in cemento armato o con strutture di sostegno in acciaio, generalmente reticolari, cui viene delega-ta la capacità portante rispetto alle azioni di pro-getto agenti sulle ciminiere. Nell’articolo si delineano i tratti salienti relativi alle fasi di progettazione, prefabbricazione, in-stallazione e montaggio, esecuzione dei test di prova dinamica, specificando le peculiarità pro-gettuali e realizzative dell’opera.

The article describes the manufacture of 2 self-sup-porting flue steel chimneys for a power production plant. The type, size and, above all, the height, 120 metres, give the structures a certain significance within the context of the specific applications of steel in manufacturing operations of this kind. The chimneys are currently the highest steel structures of their kind in Europe. They are a demonstration

1. OGGETTO-DESCRIZIONE GENERALELa ditta Scandiuzzi SpA è stata incaricata dal Consorzio Turbigo 800 della progettazione e realizzazione “chiavi in mano” di 2 ciminiere autoportanti in acciaio da eri-gersi nell’ambito di un importante impianto per la pro-duzione di energia, avente come Committente la ditta Edipower, sito nei comuni di Turbigo e Robecchetto (Mi), nell’ambito di un progetto industriale denominato “Turbigo 800 MW – CCGT Repowering”.Nell’ambito di tale impianto la ditta Edipower ha realiz-zato 2 unità (boilers) per la produzione di energia elettri-ca avente potenzialità di 800 Mw. Esigenze autorizzative ed ambientali hanno determinato la necessità di dotare le 2 unità produttive di ciminiere per la dispersione dei fumi in atmosfera, aventi altezza di m 120 e diametro di m 6.87. Si è optato per la realizzazione di ciminiere in ac-ciaio del tipo “a canna autoportante” (senza struttura di supporto) al fine di minimizzare i costi di realizzazione e di ottemperare alle richieste di progetto. Si sono inoltre valutate le varie opzioni relative ai dispo-sitivi più adatti per il contenimento degli effetti vibran-ti delle ciminiere (schermi frangivento, piatti elicoidali, ecc.); la scelta è ricaduta sul sistema a “masse smorzanti” da installarsi sulla sommità delle ciminiere. Tale soluzio-ne ha consentito un limitato impatto visivo del dispositi-vo di smorzamento con costi realizzativi accettabili, pur presentando alcune problematiche significative durante le fasi transitorie di installazione degli “elementi alti” delle ciminiere.

of the potential and the economic advantages that can be obtained from the use of steel for items tra-ditionally built with reinforced concrete flues or steel support structures – usually in a grid pattern – which perform the load-bearing function with re-spect to the design forces acting on the chimneys. The article describes the main aspects of the de-sign, prefabrication, installation and assembly stages and the performance of dynamic testing,

with the specification of the distinctive design and construction factors.

2. PROGETTO: SOGGETTI INTERVENUTINELLA PROGETTAZIONE Lo Studio RF-Project (Dr. R. Serafin – Ing. F. Scotton) ha eseguito la progettazione esecutiva-strutturale delle ciminiere in collaborazione con l’Ufficio Tecnico della Scandiuzzi. Il gruppo di lavoro così costituito possiede già ampie esperienze nella progettazione di ciminiere in acciaio di tipologia affine alle presenti. Lo studio e la progettazione dei dispositivi di smorzamento delle vi-brazioni sono stati condotti dalla ditta Flow Engineering (Prof. H. Van Koten) che vanta prestigiosi titoli ed espe-rienze nel settore (appartenenza al Comitato Tecnico di redazione delle Norme Cicind [11]), in collaborazione col costruttore e lo studio di progettazione. Il Consorzio Turbigo 800 ha svolto la funzione di supervisore al pro-getto ed alla esecuzione delle ciminiere.

3. PROGETTO Il progetto si è articolato in due fasi: • una prima fase di definizione funzionale delle carat-teristiche del manufatto, riguardante le caratteristiche geometriche e tecnologiche, oltre che la definizione della tipologia costruttiva più adeguata alle esigenze costrut-tive, di installazione e di avvio dell’impianto; • una seconda fase riguardante il dimensionamento e le verifiche strutturali delle ciminiere. a) Caratteristiche funzionaliSono state definite dal costruttore del generatore (boiler) le caratteristiche dei fumi (massa, temperatura, caratte-

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Fig. 1 - Assieme generale ciminiere

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Fig. 2 - Veduta generale ciminieree altre ciminiere esistenti

Fig. 3 - Veduta generaleciminiere e caldaia

Fig. 4 - Dettaglio passerelle e scale

ristiche chimiche, ecc.) in uscita dal boiler e sulla base di queste, oltre che sulla base della velocità dei fumi e l’altezza di progetto, è stata indi-viduata la dimensione della sezione trasversale delle ciminiere per con-sentire il soddisfacimento dei requi-siti imposti. Sono state inoltre messe a punto le interfacce di collegamento funzionale tra ciminiera e boiler. Tenuto conto di tali caratteristiche si è inoltre individuato il materiale costituente la ciminiera (Corten–S355J2G1W) con la definizione del sovrametallo da considerarsi per gli effetti indotti dalla corrosione (si sono applicate le norme EC3 [13] e Cicind [11]). Si sono quindi individuate le posi-zioni per l’installazione del damper (a m 60 di altezza), di gestione del-l’apertura del camino e dell’insono-rizzatore (a m 40 di altezza); conse-guentemente si è provveduto alla definizione dei limiti della coibenta-zione del manufatto.Il Consorzio T-800 ha inoltre defini-to i requisiti e le caratteristiche degli impianti di segnalazione aerea (luci stroboscopiche, ecc.) e di controllo e gestione del processo (sensori, ter-mocoppie, ecc.).Tenuto conto di tali dati di input pro-gettuale, si è delineato uno schema di layout delle ciminiere che ne ha definito le caratteristiche funzionali relazionandole alle loro caratteristi-che costruttive e statico-dinamico. Si

è pertanto provveduto a “sezionare” la ciminiera lungo l’altezza indivi-duando degli elementi (tronchi) che fossero logicamente congrui con le esigenze funzionali e costruttive. Il diametro delle ciminiere ha inoltre condotto alla definizione della ti-pologia costruttiva del manufatto: infatti la sua dimensione non con-sentiva la realizzazione di elemen-ti completamente saldati presso lo stabilimento di prefabbricazione e la spedizione via strada-ferrovia al cantiere per il montaggio.La tipologia costruttiva scelta, già ampiamente sperimentata dal co-struttore in altri manufatti di simi-lari caratteristiche dimensionali, ha previsto la realizzazione delle cimi-niere a “tronchi bullonati” comple-tamente preassemblati fuori opera (non sul sito di installazione ma co-munque nell’ambito del cantiere) e successivamente posti in quota com-pleti degli accessori di competenza (scale, passerelle, canalizzazione ed elementi elettrici, coibentazioni, damper, ecc.) e collegati tra di loro a mezzo di giunti bullonati a flangia.L’unica eccezione è costituita dalla parte bassa della ciminiera (fino a quota + 30.00 m circa dal piano di ancoraggio di base) che è stata rea-lizzata in soluzione “completamen-te saldata”, assemblando le virole preformate direttamente sul sito di installazione.Dopo l’individuazione dei tronchi costituenti la ciminiera si è procedu-to alla definizione della partizione

in pianta degli elementi costituenti i tronchi, generalmente 3 o 4 elementi con diametri di tale entità ai fini della ottimizzazione del trasporto; succes-sivamente sono state definite le viro-le a sezione circolare che sono state sagomate in officina secondo i dia-metri di progetto e sulle quali sono stati saldati gli altri elementi (flange, bocchelli strumentazioni, supporti passerelle, sostegni impianti, ecc.). I pezzi così definiti sono stati spediti al cantiere di montaggio dove sono stati assemblati, definendo i vari tronchi, che sono stati successiva-

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Fig. 5a - Modellazione strutturale ciminiera

Fig. 5b - Mesh strutturaleciminiera

Fig. 5c - Modellazione strutturale zona ingresso

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Fig. 5c - Mesh strutturalezona ingresso fumi

mente completati secondo quanto prescritto dal progetto e successiva-mente installati in quota. Nel caso delle presenti ciminiere tale soluzione costruttiva ha consentito di minimizzare gli interventi di sol-levamento da realizzarsi in cantiere per la messa in quota dei vari tron-chi, limitando l’intervento dei mez-zi di sollevamento, particolarmente onerosi, in periodi programmati, con notevole risparmio economico nella gestione dei mezzi stessi.b) Dimensionamento e verifiche strutturaliUna volta definite le caratteristiche funzionali di progetto delle ciminie-re e verificata la compatibilità del sistema costruttivo a “tronchi preas-semblati” alle esigenze del cantiere di installazione, si è proceduto con la

progettazione strutturale delle parti costituenti il camino e degli elementi di ancoraggio dello stesso. Nel dimensionamento strutturale della canna strutturale si sono appli-cate le norme CNR–UNI [7], Cicind [11], Eurocodice [13–14] e UNI [15], confrontando i criteri e le prescri-zioni strutturali con le norme ASME [17], e DIN [16], al fine di equiparare le scelte strutturali ed i risultati del-l’analisi con il maggior numero pos-sibile di norme riguardanti le cimi-niere autoportanti in acciaio. Le ciminiere sono state oggetto di modellazione strutturale e di analisi con metodo FEM secondo i parame-tri di progetto e le indicazioni espli-citate nelle normative sopracitate. Le strutture delle passerelle realizzate

ai vari livelli secondo specifiche esi-genze funzionali sono state conside-rate come elementi di “cerchiatura” delle ciminiere mentre, in assenza di passerelle, sono state realizzate cerchiature con profilati di sezione L150x100x10. Particolare attenzione è stata posta nello studio, nella definizione della tipologia e nelle verifiche di analisi strutturale della parte di ciminiera interessata dalla zona del condotto di ingresso dei fumi dalla caldaia. La necessità di prevedere un’ampia apertura sul mantello del camino per il passaggio dei fumi in uscita dal boiler, ha determinato la neces-sità di disporre dei rinforzi che po-tessero ripristinare le caratteristiche inerziali della sezione trasversale; si è quindi optato per la realizzazione di una serie di colonne con sezione scatolare di adeguata inerzia (sezio-ne 670x300 sp. 20/40 mm) poste in corrispondenza del limite radiale della canna e vincolate a passo co-stante con elementi di collegamento (sezione 215x330 sp. 15 mm) che ne riducessero le snellezze verticali. Il risultato è stato un reticolo costitui-to da elementi con sezione scatolare per consentire l’ottimizzazione strut-turale della sezione trasversale ed un agevole montaggio degli elementi stessi nel cantiere di installazione. Altro aspetto rilevante è rappresen-tato dall’ancoraggio a terra della canna che è stata realizzato median-te la posa in opera di tirafondi (n° 72 tondi, diametro 72 mm – S355JR) ancorati in profondità alla fondazio-ne realizzata in c.a. con vari strati di armatura, a mezzo di un largo piatto in acciaio (sezione 350x80 mm – S355JR) annegato nel monolite in cls di base.Scelte di carattere costruttivo e di installazione hanno determinato la realizzazione di giunti flangiati (spessori delle flangie variabili da 50 a 30 mm e bulloni di sezione variabi-le da M27 a M20 – Classe 10.9) tra i vari tronchi costituenti le ciminiere; questi sono stati oggetto di attento dimensionamento e realizzazione al fine di garantire la resistenza rispet-to alle azioni agenti di progetto e la verticalità delle ciminiere nella pro-pria configurazione finale che pote-va essere compromessa a causa delle problematiche indotte dai consistenti spessori in gioco da saldare. L’atten-zione e la cura posta su tale dettaglio

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Fig. 6 - Ancoraggi a terra delle ciminiere

ha consentito di ottenere un valore di scostamento della verticalità pari a 50 mm, abbondantemente al di sotto di quanto previsto dalle norme internazionali più restrittive (ASME [17]: 200 mm su altezza di 120 m).Il dispositivo di smorzamento delle vibrazioni posto in sommità è com-posto da 6 ammortizzatori vincolati sulle strutture del camino e da una massa smorzante pari a 7.000 kg con corsa laterale pari a 200 mm; il di-spositivo richiede ridottissimi inter-venti manutentivi essendo necessari solo periodici interventi di controllo della funzionalità peraltro gestibili direttamente da terra (v. paragrafo “Test e collaudo”).

4. ASPETTI INGEGNERISTICI DI DETTAGLIOSi mettono in luce gli aspetti inge-gneristici più significativi che hanno caratterizzato la realizzazione:• Determinazione sovrametallo del-la canna strutturale In relazione alla tipologia del metal-lo che costituisce la canna del cami-no, dei trattamenti superficiali, del-la vita utile della ciminiera, e della composizione chimica dei fumi, è stato valutato lo spessore del sovra-metallo da non considerare rispetto allo spessore nominale effettivo del-le lamiere costituenti la canna, ai fini delle verifiche strutturali.

CORROSIONE ESTERNA:Per un acciaio autopassivante ver-niciato (con programma preventivo per la riverniciatura), il sovrametallo necessario risulta pari a 0 mm, indi-pendentemente dalla vita utile della struttura (rif. EC3 [13]).

CORROSIONE INTERNA:In relazione alla composizione dei fumi e al periodo in cui il camino ri-mane spento, si può determinare il livello di attacco chimico sulle pareti.Infatti nei periodi in cui il camino rimane spento, la temperatura del-le pareti decresce, facendo sì che si possa formare della condensa sulle pareti dello stesso.La condensa ha una composizione che dipende dalla composizione chi-mica dei gas all’interno del camino.Essendo il contenuto di SOx trascu-rabile, la quantità di acido solforico che si viene a formare risulta an-ch’essa trascurabile (tale parametro è dovuto alla tipologia di gas com-

busto nella caldaia).Il fatto che il camino sia realizzato in acciaio tipo Corten, dà un’ulteriore garanzia sulla durabilità della strut-tura, in quanto tale tipo di acciaio ha una resistenza all’aggressione da aci-do solforico maggiore rispetto a un normale acciaio al carbonio.Nonostante ci siano molti cicli di ac-censione-spegnimento della caldaia, e quindi diversi periodi in cui ci pos-sa essere potenziale formazione di condensa, si è valutato che questa non risulta essere aggressiva, e si ri-tiene quindi che il grado di aggres-sione possa essere valutato come “basso”, anche in relazione alla tipo-logia di acciaio utilizzato (Corten).Il sovrametallo da considerare ri-

sulta pari a 1.0 mm per i primi dieci anni di vita della struttura, e pari a 1.0 mm per ogni periodo addiziona-le di 10 anni, pertanto, assumendo cautelativamente una vita utile di progetto del camino pari a 25 anni, lo spessore del sovrametallo da con-siderare risulta pari a 1.0 + (1.5 x 1.0) = 2.5 mm (rif. EC3 [13]).A fine di confronto, tale sovrametal-lo è stato valutato facendo riferimen-to anche alle norme CICIND [11], che per una temperatura di esercizio di 150°C, e un livello di attacco chi-mico basso, forniscono un valore di sovrametallo pari a 2.0 mm per una vita di 20 anni, con una proporzione si ottiene quindi il valore di 2.5 mm per una vita di 25 anni, confermando

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Fig. 7 - Condotto fumi e sezione trasversale ciminiere

quanto precedentemente determina-to con riferimento alle prescrizioni di Eurocodice.Nel dimensionamento strutturale sono stati depurati gli spessori di so-vrametallo dagli spessori nominali delle lamiere utilizzate procedendo inoltre ad un’analisi di “buckling” degli elementi. Le lamiere costi-tuenti le ciminiere hanno spessori variabili tra 20 mm (alla base) e 8 mm (sommità) incluso lo spessore di sovrametallo prescritto. Il peso delle opere in acciaio, canna strutturale + opere accessorie, è pari a 350 t per ciascuna ciminiera.• Considerazioni sulle azioni del vento e sul comportamento della ci-minieraLe azioni del vento agenti sulla cimi-niera dipendono da diversi aspetti, che sono stati valutati con riferimen-to a molteplici norme nazionali e

internazionali, al fine di valutare in maniera corretta i parametri di cari-co agenti sulla ciminiera.In relazione al fatto che le due cimi-niere sono disposte a una distanza relativamente breve, si è resa ne-cessaria una attenta valutazione degli effetti fluidodinamici dovuti ai fenomeni aerodinamici (effetti di interferenza da “galopping”) che si creano in tali configurazioni geome-triche. L’azione del vento, subendo delle accelerazioni localizzate in corrispondenza delle ciminiere, crea delle vibrazioni supplementari che si trasformano in sollecitazioni ag-giuntive agenti sulla struttura. Tali fenomeni sono di natura puramente fluidodinamica, e sono difficilmente parametrizzabili con formule anali-tiche; tali aspetti sono stati studia-ti nel tempo con numerosi studi in galleria del vento e con il monitorag-

gio di strutture esistenti, che hanno permesso di ricavare dei coefficienti di maggiorazione che sono riportati nelle norme Cicind [11] e DIN [16]. Il parametro di riferimento per la va-lutazione di tale aspetto è il rappor-to tra la distanza delle ciminiere e il diametro delle stesse (pari a 5), che porta ad avere una maggiorazione della velocità del vento pari a 1.17, e pertanto un incremento dei carichi sulla struttura pari a 1.172 = 1.37.Il sito è caratterizzato da una velocità del vento di riferimento di 25 m/s (a 10 m di altezza dal suolo) e da una classe di rugosità ambientale del territorio pari a D (caso più gravoso); sulla base di tali parametri è possibile andare a calcolare la velocità media del vento alle varie altezza da terra (crescente al crescere dall’altezza da terra) che raggiunge la velocità massima di 43.1 m/s all’altezza di 120 m (come indica-to nella successiva tabella).

z Vm (z) (m) (m/s) 0.0 24.3 4.0 24.3 10.0 29.4 20.0 33.2 30.0 35.4 40.0 37.0 50.0 38.3 60.0 39.3 70.0 40.1 80.0 40.9 90.0 41.5 100.0 42.1 110.0 42.6 120.0 43.1

A seguito della definizione delle ve-locità del vento si è reso necessario un attento studio, eseguito secondo le indicazioni della norma EC1 [12], per la valutazione del coefficiente dinamico e dei coefficienti di forza associati alla struttura in esame. Coefficiente di forza:Il coefficiente di forza riassume in un unico parametro l’integrale delle pressioni/depressioni create dal ven-to circonferenzialmente sulla parete della ciminiera, e permette di valu-tare le azioni globali per la verifica delle struttura.La distribuzione delle pressioni/depressioni circonferenziali sulla ciminiera dipende dalle caratteri-stiche geometriche della stessa che influiscono sulla fluidodinamica del vento, ovvero Numero di Reynold

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Fig. 8 - Dispositivo di smorzamento

e rugosità superficiale delle pareti, come indicato nel grafico seguente (EC1 [12]).

Tale valore deve essere poi corretto in funzione della snellezza della ci-miniera (rapporto tra altezza e dia-metro), portano a ricavare un coef-ficiente di forza sulla canna della ciminiera pari a 0.53.Per la zona del condotto inferiore è stato assunto un coefficiente di forza pari a 0.8 + 0.4 = 1.2 (considerando tale zona assimilabile a un fabbrica-to), mentre per le scale e le passerelle è stato assunto pari a 2.

Coefficiente dinamico:La definizione del coefficiente dina-mico tiene in considerazione l’incre-mento o il decremento delle solleci-tazioni dovute alla risposta dinamica della struttura e risulta essere l’aspet-to di più complessa valutazione.Normalmente, per strutture ordina-rie sono disponibili numerosi grafici che correlano le caratteristiche geo-metriche di un qualsiasi fabbricato al relativo coefficiente dinamico; per la ciminiera in esame, in relazione all’altezza pari a 120 m e al diame-tro pari a 7 m, in seguito a un’anali-si dei grafici per la determinazione del coefficiente Cd, si ricade nella zona per la quale risulta necessario utilizzare un metodo di calcolo det-tagliato, riportato nell’appendice B dell’Eurocodice 1-parte 2-4 [12].Tale metodo, estremamente complesso, permette una valutazione semi-analiti-ca (in quanto fa uso di molteplici para-metri sperimentali ricavati da numero-si studi) del coefficiente dinamico.Lo studio porta a effettuare delle valutazioni associate alla dinamica della struttura, che a seguito del-la valutazione delle masse modali, delle frequenze e del fattore di picco delle raffiche di vento, dei periodi di vibrazione della struttura e del de-cremento logaritmico associato allo smorzamento globale della struttura consentono di ricavare il coefficiente dinamico.Per le ciminiere in esame, tra i para-metri sovra citati assume particolare

importanza il decremento logaritmi-co, in quanto tale parametro risente significativamente della presenza dello smorzatore in sommità. Il valo-re del decremento logaritmico è pari alla somma di tre termini:- Decremento logaritmico della cimi-niera (pari a 0.015)- Decremento logaritmico dovuto allo smorzamento aerodinamico (per la ciminera in esame risulta pari a 0.136)- Decremento logaritmico del dispo-sitivo di smorzamento (pari a 0.4)Dall’analisi dei numeri precedenti si capisce chiaramente che la presen-za dello smorzatore dà il contributo maggiore allo smorzamento.A seguito della valutazione di tutti i parametri a cui è stato brevemente accennato, si riesce a definire il coeffi-ciente dinamico che risulta pari a 0.86.Azioni dinamiche del vento e oscillazio-ni trasversali:

In corrispondenza di una certa ve-locità del vento, i fenomenti aerodi-namici dovuti al distacco dei vortici sul camini (vortici di Von Karman), possono assumere delle frequenze pari alla frequenza di risonanza del camino; il quale, se sollecitato per un tempo sufficientemente lungo, comincia a oscillare trasversalmente, con incrementi notevoli delle oscil-lazioni in corrispondenza della fre-quenza di risonanza del camino.L’analisi modale indica che la fre-quenza propria del camino vale n1 = 0.453 Hz.Con questa frequenza la velocità di vento critica per il camino diventa:Vcr = D n1/StIn cui D è il diametro, pari a 7.0 mSt è il numero di Strouhal, che tenen-do conto della vicinanza di un’altra ciminiera, è pari a:St = 0.1 + 0.085 log (a/d) valida per a/d ≤ 15

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Fig. 9a - Stress analisi ciminiera Fig. 9b - Stress analisizona ingresso fumi

St = 0.1 + 0.085 log (35.0 / 7.0) = 0.16Vcr = 7.0 x 0.453 / 0.16 = 19.91 m/sSi trova una velocità critica di 19.91 m/s, che viene abbondantemente su-perata dalla velocità media reale. Ne segue che si possono innescare i vor-tici di Von Karman, e sono pertanto richiesti dispositivi particolari per eliminare il fenomeno.Per eliminare le azioni dovute all’ec-citazione causata dal distacco dei vortici, la struttura è dotata dello smorzatore posizionato in sommità, che riduce drasticamente le azioni dinamiche del vento.Le azioni dinamiche, grazie al dispo-sitivo smorzante, in corrispondenza del vento critico, non portano la struttura in risonanza, e le azioni che ne derivano risultano minori delle azioni quasi-statiche che si verifica-no in corrispondenza del vento mas-simo; nonostante tutto l’influenza del carico dinamico del vento viene tenuto in considerazione, in quanto rimane sempre un’azione laterale del vento, che deve essere sommata all’azione quasi-statica.L’azione di carico dovuta al fenome-ni oscillatori trasversali viene ricava-ta andando a determinare un carico distribuito equivalente alle azioni inerziali agente sulla parte superio-re della canna della ciminiera, che risulta pari a 494 daN/m applicato a sui 42 m superiori della ciminiera.Tale carico, in assenza del dispositivo smorzante, sarebbe risultato notevol-mente superiore, con sollecitazioni anche 5-6 volte superiori, che spesso diventano il carico dimensionante del-la struttura. La presenza dello smorza-tore consente quindi di ridurre anche le sollecitazioni dovute alle azioni tra-sversali causate dal vento critico, oltre agli aspetti visti in precedenza.

Cicli di tensione causati dal distacco dei vortici ed effetti della fatica sulle ciminiere:Il numero dei cicli di tensione N as-sociato all’oscillazione causata dal distacco dei vortici può essere stima-to da: N = 6.3 ⋅ 107 ⋅ T ⋅ n1 ⋅ ε0 ⋅ (vcrit / v0)2 ⋅ e^(- vcrit / v0)2

in cui :T = tempo di vita in anni della cimi-niera = 25 annin1 = frequenza propria di vibrazione = 0.453 Hzε0 = fattore di larghezza di banda che descrive la larghezza di banda del-la risonanza dei vortici e può essere approssimato pari a 0.3

Fig. 9c - Stress analisi ciminiera Fig. 9d - Stress analisizona ingresso fumi

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Fig. 10a - Deformata ciminiera Fig. 10b - Deformata ciminiera

Fig. 10c - Deformata zona ingresso fumi

Fig. 10c - Deformata zona ingresso fumi

vcrit = 19.91 m/sv0 = vm,L / 5 = 42.54 / 5 = 8.51 m/sN = 6.3 ⋅ 107 ⋅ 25 ⋅ 0.453 ⋅ 0.3 ⋅ (19.91 / 8.51)2 ⋅ e^(- 19.91 / 8.51)2 = 2.65 x 107 cicliA seguito della definizione del nu-mero di cicli oscillatori agenti sulla struttura nella propria vita di proget-to, è possibile andare a determinare il numero di Miner, per valutare se ci possono essere problemi di fatica, con riferimento alla normativa CI-CIND [11].La presenza dello smorzatore con-sente di ridurre notevolmente il nu-mero di cicli oscillatori di carico a cui sarà sottoposta la struttura nella sua vita, e pertanto consente di garantire la struttura da problemi di fatica per lunghi periodi; a solo titolo di esem-pio, la ciminiera in esame potrà ave-re problemi di fatica solo dopo circa 1800 anni.

Considerazioni finali:Dalle analisi sopra riportate, di cui sono stati riportati solamente i prin-cipali concetti, omettendo quasi

completamente i concetti matema-tici, risulta comunque evidente che la presenza dello smorzatore porta ad avere molteplici aspetti positivi, e che la funzionalità dello stesso ri-sulta un aspetto di fondamentale im-portanza per l’intera ciminiera.Si riportano in seguito i principali aspetti positivi indotti dalla presen-za dello smorzatore:- Riduzione del coefficiente dinami-co, e pertanto riduzione delle azioni quasi-statiche sulla struttura, con conseguente riduzione delle solleci-tazioni;- Riduzione drastica delle azioni as-sociate ai fenomeni di risonanza in corrispondenza della velocità critica del vento, che porta a sollecitazioni sulla struttura inferiori alle solleci-tazioni quasi-statiche, e pertanto ri-sultano di secondaria importanza al fine del dimensionamento;- Riduzione del fenomeno della fati-ca, che diventa trascurabile.Risulta pertanto chiaro che il costo dello smorzatore viene compensato da un minore costo dell’intera cimi-

niera, che può essere dimensionata da carichi di entità minore rispetto a quelli che si avrebbero con ciminiere tradizionali (senza smorzatore); tut-to ciò è associato a una struttura che nella globalità risulta più sicura, in quanto si riescono a controllare tutti i fenomeni dinamici dovuti alle azio-ni create dal moto fluidinamico del vento, che sono i fenomeni più peri-colori, per opere di questa tipologia.

5. LA PREFABBRICAZIONE PRESSO LO STABILIMENTO DI PRODUZIONE E PRESSO IL CANTIERECome già accennato in precedenza si è provveduto alla prefabbricazio-ne delle virole costituenti la canna strutturale presso lo stabilimento di produzione come pure per le scale, le passerelle e gli elementi del condot-to, inviando i materiali così preas-semblati presso il cantiere di instal-lazione. La committenza ha messo a disposizione un’area nei pressi del sito di installazione delle ciminiere nell’ambito del quale la Scandiuzzi

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ha organizzato l’assemblaggio dei vari tronchi secondo la procedura richiesta dalla tipologia delle opere da eseguirsi (fasi operative di as-semblaggio, saldatura delle virole, controlli radiografici sulle saldature, installazione degli accessori, verni-ciatura, realizzazione della coiben-tazione dove richiesto). Tale proce-dura ha consentito di preassemblare a terra i vari tronchi “completi” e pronti per l’installazione in quota, limitando così solamente alle opera-zioni di raccordo degli accessori e di

bullonatura dei tronchi, le attività da eseguirsi in quota. Con tale sequenza operativa sono stati approntati i vari tronchi in conformità alle procedure temporali di installazione mediante l’utilizzo di mezzi di sollevamento, di rilevanti caratteristiche e costo, secondo periodi programmati di uti-lizzo, anche in relazione alle altre at-tività da compiersi sul sito di installa-zione (installazione e montaggio del boiler). Il condotto di raccordo dei fumi dalla caldaia al camino è stato realizzato con pannelli prefabbricati

aventi sagoma “trasportabile” pres-so lo stabilimento di produzione ed è stato successivamente assemblato direttamante sulla ciminiera.

6. MONTAGGIOE INSTALLAZIONE Gli aspetti relativi alla installazione in quota dei vari tronchi al fine di definire le ciminiere nella propria configurazione finale di esercizio, sono risultati determinanti e decisivi nell’impostazione generale del pro-getto e della prefabbricazione. I pesi e le altezze delle ciminiere, oltre al dispositivo di smorzamento delle vibrazioni posto in sommità, hanno determinato una serie di pas-saggi progettuali ed operativi finora non attuati per ciminiere di altezza meno significativa. Infatti l’aspetto critico delle fasi di installazione del-le ciminiere sono risultate essere le fasi transitorie di installazione dei tronchi oltre la quota di m 73–85; fino a tale quota infatti il camino, seppur privo del dispositivo di smorzamento, assumeva un regime statico–dinamico in grado di sop-portare le azioni esterne di progetto (azione del vento) senza particolari problematicità strutturali. Oltre tale quota, ed in assenza del dispositivo di smorzamento installato peraltro in sommità dello stesso, azioni del vento con velocità di 20 m/sec. pos-sono indurre sul camino effetti tali da pregiudicarne la stabilità strut-turale. In ragione di tale aspetto si è

Fig. 11 - Dettaglio coibentazione e passerelle

Fig. 12a - Modellazione in fase di sollevamento ultimo tronco ciminiere

Fig. 12b - Deformata in fase di sollevamento ultimo tronco ciminiere

Fig. 12c -Stress analisi in fase di sollevamento ultimo tronco ciminiere

3CM 2007COSTRUZIONI METALLICHE

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realizzazion

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provveduto ad una serie di verifiche di tutte le configurazioni transito-rie di installazione oltre la quota di +73.00 m, concludendo che il mon-taggio dei vari tronchi costituenti il camino oltre tale quota doveva es-sere attuato entro un limitato arco temporale (2 giorni) e previa un ade-guato accertamento delle condizioni meteorologiche previste. Le opera-zioni di installazione della parte alta delle ciminiere sono state condotte con successo in condizioni meteo e ambientali idonee per il montaggio in conformità ai tempi programma-ti. L’installazione dell’ultimo tronco della ciminiera con il dispositivo di smorzamento ha definito il camino nella sua configurazione geometri-co–dimensionale e strutturale finale.Il sollevamento dei vari tronchi delle ciminiere è stato effettuato attraver-so l’utilizzo di bilancino con golfari bullonati alle flangie dei tronchi; tale tipologia di sollevamento ha con-sentito di effettuare più semplici e ridotte attività in quota per lo sgan-ciamento dei tronchi dal bilancino e conseguentemente dal mezzo di sol-levamento. In ragione di tale scelta si sono condotte analisi strutturali con metodo FEM per la verifica del-le porzioni di flangie e lamiera della canna interessate dalla concentra-zione di carico indotta dal solleva-mento; sono stati realizzati golfari e locali rinforzi sui tronchi che hanno consentito la realizzazione di tale attività senza alcuna deformazione degli elementi strutturali.

7. TEST E COLLAUDOLa particolarità dell’opera ha richie-sto la definizione della più adatta

tipologia di test di collaudo da con-durre al fine di verificare la validità e l’adeguatezza strutturale delle ci-miniere. In prima battuta si è considerato di realizzare una prova di carico “stati-ca” utilizzando la modesta distanza delle 2 ciminiere (35.00 m) e appli-cando un carico statico alla quota del primo tronco saldato (quota +30.00 m) di intensità tale da indurre un regime tensionale negli elementi costituenti il camino equiparabili al regime indotto dalle azioni di pro-getto del vento. Dallo studio di tale ipotesi è emersa la difficoltà e la li-mitatezza di tale approccio: l’entità del carico da applicare sarebbe stata tale da indurre dei fenomeni di per-manente deformazione sulle struttu-re delle ciminiere, l’eventuale analisi del regime tensionale sarebbe stato di scarsa rilevanza data la diversità tra il comportamento reale del ma-

nufatto (dinamico) ed il comporta-mento indotto dalla prova di carico (statico). Si è pertanto optato per una verifica dello stato vibrazionale delle cimi-niere realizzato dalla ditta Flow–En-gineering che ha consentito di analiz-zare l’effettivo comportamento delle ciminiere in presenza delle azioni del vento e che, in conseguenza alla lettura di tale analisi, ha consentito di verificare la corretta realizzazio-ne ed efficienza sia del dispositivo di smorzamento che dei giunti flan-giati di connessione dei vari tronchi costituenti le ciminiere. Il test è stato condotto con l’utilizzo di sensori po-sti alla base del camino, un amplifi-catore di segnale e un adeguato sof-tware che, una volta analizzati i dati, li ha trasformati al fine di consentire un confronto con i dati teorici attesi.L’analisi così condotta ha verificato al perfetta rispondenza tra le aspet-

Fig. 13a - Fase di sollevamento ultimo tronco ciminiera (inizio sollevamento)

Fig. 13b - Fase di sollevamento ultimo tronco ciminiera (sollevamento intermedio)

Fig. 13c - Fase di sollevamento ultimo tronco ciminiera (fase finale)

Fig. 13d - Fase di sollevamento ultimo tronco ciminiera (aggancio ultimo tronco)

Committente: Edipower Sito: Comuni di Robecchetto e Turbigo (Mi) Main Contractor: Consorzio Turbigo 800Costruttore: Scandiuzzi SpA, Volpago del Montello (Tv)Progetto strutture in acciaio ciminiere ed ac-cessori: RF–Project (ing. Federico Scotton – dr. Riccardo Serafin), Ponte di Piave (Tv)Progetto dispositivi di smorzamento e con-sulenza tecnica: Flow Engineering (prof. Henk Van Koten), Deft (Olanda)Direzione Lavori: RF–Project, Ponte di Piave (Tv)Esecuzione test e prove dinamiche: Flow Engineering, Deft (Olanda)

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Bibliografia

[1] Legge 5/11/1971 N. 1086 “Norme per la disciplina delle opere in conglomerato ce-mentizio armato normale e precompresso ed a struttura metallica”

[2] Circolare 14 febbraio 1974 del Ministero LL.PP. “Istruzioni per l’applicazione della legge 05 novembre 1971, n. 1086”

[3] D.M. 09/01/96 “Norme tecniche per il cal-colo, l’esecuzione ed il collaudo delle strut-ture in cemento armato, normale e precom-presso e per le strutture metalliche“

[4] Circolare Min. LL.PP. 15 ottobre 1996 n. 252 – Legge 1086 – Istruzioni per l’applica-zione delle «Norme tecniche per il calcolo, l’esecuzione ed il collaudo delle strutture in cemento armato, normale e precompresso e per le strutture metalliche»”

[5] CNR-UNI 10012/85 “Istruzioni per la va-lutazione delle azioni sulle costruzioni”

[6] CNR-UNI 10021/85 “Strutture di acciaio per apparecchi di sollevamento. Istruzioni per il calcolo, l’esecuzione e la manutenzione”

[7] CNR-UNI 10011/88 “Costruzioni di ac-ciaio. Istruzioni per il calcolo, l’esecuzione, il collaudo e la manutenzione”

[8] DM 16/1/1996 “Norme tecniche relative ai criteri generali per la verifica di sicurezza delle costruzioni e dei carichi e sovraccarichi”

[9] Circolare Min. LL.PP. n. 156AA.GG./STC. del 4 luglio 1996 “Istruzioni per l’applicazione delle norme tecniche relative ai criteri genera-li per la verifica di sicurezza delle costruzioni e dei carichi e sovraccarichi di cui al D.M. 16 gennaio 1996”

[10] Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003 “Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio naziona-le e di normative tecniche per costruzioni in zona sismica”

[11] CICIND “Model Code for Steel Chi-mnys“ Revision 1 – 1999 with amendment A – march 2002

[12] UNI-ENV 1991-2-4 “Eurocodice 1, Basi di calcolo ed azioni sulle strutture – Parte 2-4: Azioni sulle strutture – Azioni del vento”

[13] UNI-ENV 1993-3-2 “Eurocodice 3, Pro-gettazione delle strutture di acciaio – Parte 3-2: Torri, pali e ciminiere – Ciminiere”

[14] UNI-ENV 1998-3 “Eurocodice 8, Indi-cazioni progettuali per la resistenza sismica delle strutture – Parte 3: Torri, pali e cami-ni”

[15] UNI 9503 “Procedimento analitico per valutare la resistenza al fuoco degli elementi costruttivi di acciaio”

[16] DIN 4133 “German industrial standar-ds: Steel stack / Chimneys built of Steel”

[17] ASME STS-1-2000 “Steel stacks”

tative teoriche definite nella fase di analisi strutturale e le risultanze empiriche analizzate sul manufatto realizzato.Il sistema di test consentiva inoltre, se attuato con continuità tempora-

Fig. 14 - Ciminiere in configurazione finale Fig. 15 - Ciminiere in configurazione finale

le, il monitoraggio in “progress” della risposta dinamica delle cimi-niere rispetto alle azioni esterne con l’eventuale evidenziazione di malfunzionamenti nel dispositivo di smorzamento o di anomalie nella

capacità strutturale dei giunti bullo-nati per effetto di accidentali svita-menti dei bulloni.

Dr. arch. Riccardo Serafin,RF Project, Ponte di Piave (TV)