Torri di raffreddamento centrali termoelettriche: analisi con DIANA
DIANA consente di effettuare analisi non lineari che permettono di riprodurre con estrema accuratezza il comportamento delle torri e le condizioni a cui sono soggette, per valutarne l’integrità strutturale e progettare strategie mirate di riabilitazione
Le torri di raffreddamento delle centrali termoelettriche costruite fino agli anni Settanta sono realizzate per la maggior parte in cemento armato. Il vapore, convogliato per convezione naturale, si raffredda lungo il percorso e condensa, l’acqua viene quindi raccolta all’interno di una vasca di cemento posta alla base, nella quale confluisce anche l’acqua di ciclo raffreddata.
Durante il corso degli anni, oltre all’umidità e ai gradienti termici, i vapori, ricchi di agenti chimici, hanno accelerato il processo di degrado del calcestruzzo. Queste strutture, inoltre, hanno ormai raggiunto la fine della loro vita utile e dunque necessitano di essere sottoposte ad una valutazione della sicurezza e ad eventuali interventi di rinforzo.
In questo articolo vedremo come il software DIANA possa essere utilizzato per effettuare una modellazione agli elementi finiti (FE) delle torri di raffreddamento, al fine di valutarne l’integrità strutturale e progettare strategie mirate di riabilitazione di tali strutture.
In particolare, DIANA consente di effettuare analisi non lineari che permettono di riprodurre con estrema accuratezza il comportamento delle torri e le condizioni a cui sono soggette.
Figura 1. Esempio di modello agli elementi finiti creato utilizzando DIANA.
La Struttura
Le torri di raffreddamento del caso studio sono strutture iperboloidi a guscio sottile in cemento armato. Ogni torre è alta 60-70 metri, con un diametro superiore di 25-30 metri e uno spessore delle pareti che varia gradualmente (0,5 metri alla base, che si assottiglia a 0,12 metri in cima). La vasca di raffreddamento alla base è costituita da una piastra circolare di 40-50 metri e da un muro di contenimento di 0,4-0,5 metri di spessore, che sostiene un sistema di colonne circolari inclinate progettate per facilitare il flusso d'aria nel camino.
Obiettivi dell’analisi
Per questo caso studio, poiché diverse torri si avvicinavano alla fine della vita utile, è stata commissionata una valutazione strutturale per determinare il grado di sicurezza e la fattibilità di interventi di riabilitazione.
Le sfide principali dell’intervento possono essere riassunte nei seguenti punti:
- Le torri presentano grave degrado del materiale: fessurazioni, perdita di spessore del calcestruzzo e corrosione dell'armatura.
- Alcune torri mostrano segni di instabilità strutturale causata dall'ovalizzazione dovuta al vento e alle sollecitazioni termiche (si veda Figura 2 di seguito).
- Necessità di prolungare la durata strutturale senza alterare la distribuzione delle masse o imporre nuovi carichi eccessivi sulla fondazione.
- Riduzione al minimo dei tempi di inattività per evitare interruzioni delle operazioni della centrale elettrica.
I metodi di valutazione tradizionali non sono in grado di catturare appieno la complessità di queste strutture obsolete, rendendo necessario l’adozione di analisi avanzate agli elementi finiti (FEA).
Figura 2. Esempio di analisi degli elementi finiti di una torre di raffreddamento sotto carichi operativi, che mostra la distribuzione delle sollecitazioni e i modelli di ovalizzazione.
Analisi strutturale
I progettisti hanno sviluppato modelli FE non lineari utilizzando il software DIANA al fine di simulare la risposta delle torri di raffreddamento sotto carichi operativi ed estremi.
Le principali caratteristiche del modello possono essere così riassunte:
- Vengono tenute in conto sia le non linearità geometriche che meccaniche.
- Torri e vasche sono modellate con elementi shell stratificati (nello specifico elementi a 8 nodi), mentre per le colonne poste alla base vengono utilizzati elementi beam.
- I danni, sottoforma di riduzione dello spessore del calcestruzzo o di fessure sono stati direttamente introdotti nel modello. In particolare, le fessure sono state modellate disconnettendo le superfici degli elementi.
- Le armature sono state modellate esplicitamente.
- Per i materiali, sono stati adottati legami costitutivi non lineari. Le caratteristiche meccaniche sono state calibrate in base a prove sperimentali. In particolare per il calcestruzzo si è assunto un legame costitutivo secondo il criterio di Mohr-Coulomb a compressione e Galileo-Rankine a trazione. Per l’acciaio è invece stato adottato un legame elastico perfettamente plastico con criterio di rottura alla Von Mises.
- La struttura viene considerata incastrata alla base, come ipotizzato in fase di progetto, in quanto le ispezioni non hanno rilevato cedimenti differenziali.
- Le torri sono state assoggettate ad una combinazione di carico che tiene in conto i pesi propri, vento e gradiente termico e che è incrementata step per step fino al raggiungimento del collasso.
Il modello complessivamente conteggia circa 10'000 nodi e 60'000 gradi di libertà.
Questa modellazione così accurata ha permesso di:
- Valutare i margini di sicurezza strutturale, identificando le torri a più alto rischio di crollo.
- Ottimizzare le strategie di riabilitazione, assicurandosi che gli interventi selezionati affrontino le vulnerabilità più critiche senza incrementare significativamente la massa complessiva.
Misure Chiave di Riabilitazione
Gli interventi di riabilitazione che sono stati ipotizzati e tenuti in conto nel modello FEM sono i seguenti:
- Restauro della Scocca Interna: È stato applicato uno strato di malta impermeabile ad alta resistenza di 1,5 cm per recuperare lo strato impermeabile originale e la protezione delle barre di rinforzo.
- Rinforzo della Scocca Esterna: I 15 metri superiori delle torri sono stati irrigiditi con laminati in polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP), riducendo significativamente l'ovalizzazione indotta dal vento.
- Protezione Chimica: La superficie interna è stata rivestita con vernice acrilica per proteggere dalla degradazione indotta dal vapore.
Figura 3. Distribuzione delle tensioni di taglio lungo l'interfaccia tra la malta appena applicata e il calcestruzzo esistente nella torre riabilitata di Serrazzano, dimostrando l'efficacia dell'adesione.
I Risultati
I risultati dell’analisi hanno dimostrato la vulnerabilità di tali strutture nei confronti, in particolare, di vento e carico da temperatura.
Nello specifico, l’effetto più severo consiste nell’ovalizzazione della torre che produce uno stato flessionale avverso.
Le analisi hanno evidenziato come il comportamento globale della struttura è di tipo lineare in condizioni di servizio, a cui segue un comportamento non lineare dovuto alla diffusione di fessure nel calcestruzzo in trazione. In prossimità del collasso si genera ovalizzazione in sommità della torre, con spostamenti orizzontali di 1-2 m.
A livello tensionale, le condizioni più critiche sono generate da anomale condizioni flessionali dovute al vento e alla temperatura, quando la struttura dovrebbe avere comportamento membranale.
Per le torri rinforzate, le analisi hanno permesso di ricavare la distribuzione delle tensioni tangenziali e verticali lungo lo spessore per 4 livelli (base, 1/3 altezza totale, 2/3 altezza totale -collo-, sommità), in condizioni di carico di servizio.
Si riesce quindi ad osservare come una porzione della mesh raggiunge la resistenza a trazione (stimata in 1.2-1.5 MPa) nella faccia interna, mentre quella esterna è compressa. Inoltre, la discontinuità nella distribuzione degli stress evidenzia la presenza di cambiamenti di rigidezza indotta dai danneggiamenti/fessurazioni.
Figura 4. Distribuzione delle tensioni tangenziali nella torre di Serrazzano sotto carichi operativi, dove i valori negativi rappresentano la compressione.
Figura 5. Distribuzione delle tensioni verticali nella torre di Serrazzano durante il funzionamento, valori negativi indicano forze di compressione.
Il modello FE, aggiornato con gli interventi di rinforzo, ha permesso di apprezzare un aumento di rigidezza globale e riduzione delle deformazioni, garantendo la stabilità a lungo termine.
Nello specifico, i principali risultati ottenuti sono:
- Margini di sicurezza significativamente aumentati, con carichi di collasso post-riabilitazione che raggiungono 1,4-1,5 volte i carichi operativi, rispetto a 1,1-1,2 volte nelle torri più deteriorate prima dell'intervento.
- Una riduzione di cinque volte gli effetti di ovalizzazione, mitigando uno dei principali rischi di guasto.
- Un modello di fessurazione controllato, con misure di riabilitazione che prevengono ulteriori fessurazioni diffuse in condizioni operative (si vedano figure 6 e 7).
- Massa aggiuntiva minima, garantendo che fondazioni ed elementi di supporto esistenti non siano influenzati.
Le analisi effettuate con DIANA permettono, dunque, di affermare come il piano di riabilitazione ipotizzato consenta di preservare le capacità operative delle torri.
Figura 6. Distribuzione delle fessurazioni nella torre di Serrazzano prima del risanamento.
Figura 7. Distribuzione delle fessurazioni nella torre di Serrazzano dopo la riabilitazione, con riduzione delle fessurazioni e miglioramento dell'integrità strutturale.
Conclusioni
Questo caso di studio evidenzia il potenziale della modellazione agli elementi finiti non lineare nel guidare le scelte di riabilitazione delle infrastrutture. Con DIANA, gli ingegneri sono stati in grado di prolungare la vita utile delle strutture critiche senza costi di ricostruzione eccessivi, il che dimostra la fattibilità di una riabilitazione strutturale mirata e l'importanza delle analisi ad elementi finiti nella gestione di infrastrutture obsolete.
Mentre gli impianti industriali di tutto il mondo affrontano sfide simili con il deterioramento delle strutture in calcestruzzo, la riabilitazione basata su FE offre una soluzione economica, efficiente e sostenibile per mantenere operative le infrastrutture critiche per i decenni a venire.
Tratto da FE guided structural rehabilitation of cooling towers (P.Dalmagioni - Former ENEL.HYDRO – B.U. ISMES, Seriate, Italy now QUALITALIA-CONTROLLO TECNICO, Milan,Italy e R. Pellegrini ENEL.HYDRO – B.U. ISMES, Seriate, Italy), è possibile richiedere l’articolo qui.