Crack pattern in an Industrial masonry chimney explained by a heterogenoeus FE model

The European Industrial Revolution led to the construction of many new factories, and one of the most important elements for certain industries was the masonry chimneys. These structures are now considered cultural heritage landmarks due to their historical and architectural significance, making their conservation highly relevant. This thesis took as a study case the distinctive crack pattern present in an industrial chimney located of Crespi d’Adda workers village, in Northern Italy. The crack pattern includes vertical cracks in the lower section, horizontal cracks in the upper section, and zigzag cracks in the middle section. Previous studies attempted to explain these crack patterns by using a homogeneous structural model and advanced analysis methods such as the Extended Finite Element Method (XFEM) to capture cracks and their development, and the Concrete Damage Plasticity (CDP) Model to obtain the damage contours in the structure which are potential areas where cracks might develop. Even though the vertical and horizontal cracks were found to be caused by thermal effects in these studies, the zigzag cracks in the middle section could not be captured. This study, therefore, focuses on understanding the influence of incorporating the original heterogeneity of the chimney’s structure, using re-dimensioned elements to make the modeling phase more practical, and implementing the CDP Model. A homogeneous model was also derived from the heterogeneous model to compare with the previous result and back up the conclusion derived from analyzing the heterogeneous model. The findings show that both homogeneous models display similar behavior, manifesting only vertical and horizontal patterns. Only the heterogeneous model successfully captured the whole crack pattern, including the zigzag one in the middle section. This revealed that zigzag patterns can also be caused due to thermal effects and the importance of considering the heterogeneity of industrial chimneys when evaluating them for conservation or restoration interventions.

La Rivoluzione Industriale europea portò alla costruzione di nuove fabbriche, e le ciminiere in laterizio divennero elementi cruciali per molte industrie. Oggi, queste strutture sono considerate beni culturali per il loro valore storico e architettonico, rendendone la conservazione rilevante. Questa tesi ha preso come caso di studio il particolare quadro fessurativo presente in una cimeniera industriale in laterizio situata nel villaggio operaio di Crespi d'Adda, nel nord Italia. Il quadro fessurativo include fessure verticali nella sezione inferiore, fessure orizzontali nella sezione superiore e fessure a zigzag nella sezione centrale. Studi precedenti hanno tentato di spiegare questo quadro fessurativo utilizzando un modello strutturale omogeneo e metodi di analisi avanzati, come il Metodo degli Elementi Finiti Esteso (XFEM) per catturare le fessure e il loro sviluppo, e il modello di Plasticità del Danno al Calcestruzzo (CDP) per ottenere i contorni di danno nella struttura, potenziali aree in cui potrebbero svilupparsi le fessure. Sebbene questi studi abbiano dimostrato che le fessure verticali e orizzontali erano causate da effetti termici, le fessure a zigzag nella sezione centrale non sono state catturate. Questo studio, pertanto, si concentra sulla comprensione dell'influenza dell'incorporazione dell'eterogeneità originale della ciminiera, utilizzando elementi ridimensionati per rendere la fase di modellazione più pratica, e implementando il modello CDP. Dal modello eterogeneo è stato derivato anche un modello omogeneo per confrontarlo con i risultati precedenti e sostenere le conclusioni tratte dall'analisi del modello eterogeneo. I risultati rivelano che mentre entrambi i modelli omogenei mostrano comportamenti simili, manifestando solo danni verticali e orizzontali, solo il modello eterogeneo è riuscito a catturare l'intero quadro fessurativo, incluso quello a zigzag nella sezione centrale. Questo ha indicato che le fessure a zigzag possono essere causate da effetti termici e ha evidenziato l'importanza di considerare l'eterogeneità delle cimeniere industriali durante la loro valutazione per interventi di conservazione o restauro.