Il rapido progresso tecnologico nel mondo del tunnelling continua a elevare gli standard di ricerca e produzione per rendere l’esecuzione delle nuove opere sempre più sicura ed efficiente, ridurre l’impatto delle opere stesse sull’ambiente ed aumentarne la fruibilità per la società.
Negli ultimi anni la tecnologia dello scavo meccanizzato con TBM si è sempre più affermata come tecnologia performante, innovativa e più versatile in tutto il panorama internazionale per lo scavo di gallerie a sezione piena. Tecnologia consolidatasi nello scavo di gallerie naturali in ambiente urbano, si è affermata nel tempo anche per lo scavo di gallerie naturali stradali e ferroviarie in contesti extraurbani.
In Italia dall’utilizzo della prima EPB per la costruzione del passante ferroviario di Milano (1988) si è passati all’utilizzo in moltissimi contesti di TBM per gallerie stradali e ferroviarie (galleria Santa Lucia, galleria Caltanissetta, gallerie metropolitane…). Il grande incremento dell’utilizzo di tale tecnologia va di pari passo con l’utilizzo e lo sviluppo dei rivestimenti in calcestruzzo costituiti da conci prefabbricati. Stante la grande avanzata della tecnologia di scavo con TBM negli ultimi anni e la crescita prevista nel prossimo futuro è necessario individuare delle soluzioni innovative per i rivestimenti definitivi come mai fatto prima.
Risulta di fondamentale importanza oggigiorno, e sempre di più in futuro, sviluppare delle tecnologie capaci di velocizzare la produzione dei conci prefabbricati, ridurre i costi degli stessi e migliorare la qualità delle opere in progetto. Questo tema è l’oggetto di questo articolo, in quanto vengono proposte e analizzate delle soluzioni innovative e intelligenti di armatura dei rivestimenti definitivi prefabbricati delle gallerie che consentono di raggiungere i target di progetto in termini di performance, qualità del prodotto, sostenibilità. Il seguente articolo risulta essere frutto di uno studio affrontato da professionisti con esperienza decennale nel campo delle opere in sotterraneo di due distinte realtà: Politecnico di Torino e Prometeoengineering Srl. Le soluzioni innovative proposte e analizzate prevedono l’utilizzo di barre in GFRP, in maniera integrale o integrate con altre tipologie di armature (tondini classici, fibre metalliche diffuse) costituendo così soluzioni ibride. Le armature sono disposte in maniera tale da farsi carico delle sollecitazioni che nascono nei conci di rivestimento nelle differenti fasi di vita della struttura, considerando le configurazioni transitorie di posa in opera, i possibili difetti di montaggio e le configurazioni di lungo termine.
Tali soluzioni si smarcano profondamente dall’utilizzo della gabbia di armatura integralmente in tondini di acciaio, abbattendo il peso complessivo dell’armatura, migliorando le proprietà di resistenza chimica-elettrica, consentendo disposizioni più efficienti degli elementi resistenti e tendendo a una soluzione più sostenibile, in linea con lo scenario internazionale attuale. La trattazione si mantiene su un livello qualitativo, ancorché basata su numerose analisi numeriche e verifiche statiche, sottolineando i vantaggi e le criticità delle varie soluzioni. Dall’esperienza maturata nel corso degli anni, le maggiori criticità che si riscontrano nei tunnel dove sono presenti i conci prefabbricati con armatura integrale in tondini di acciaio sono la persistente fessurazione e la rottura degli spigoli: danneggiamenti che impongono interventi di ripristino in corso d’opera con una conseguente dilatazione dei tempi di apertura e dei costi.
Questi difetti nascono già nella prima posa in opera degli elementi strutturali di rivestimento, soggetti fin da subito a elevate sollecitazioni dovute alle macchine TBM in fase di avanzamento, per guidare e orientare la macchina. In molti casi la fessurazione risulta curabile ma rappresenta un difetto che influenza la durabilità dell’opera.
L’INTRODUZIONE DELLA VETRORESINA
La vetroresina (VTR) è un tipo di plastica rinforzata con fibre di vetro (GFRP – Glass Fiber Reinforced Polymer), che permette la pultrusione delle barre realizzate con filamenti ad alta resistenza impregnati di speciale resina termoplastica o termoindurente, già adottate come rinforzo per la realizzazione e la riparazione di travi, colonne, lastre e altri elementi strutturali. Le barre in commercio oggi possiedono caratteristiche in termini di resistenza a trazione estremamente elevate e risultano disponibili una vasta quantità di diametri, come si evince nella tabella 1.
Le armature in vetroresina, composte da resina di vinilestere e vetro, hanno un comportamento completamente diverso e in un certo senso opposto a quello delle barre metalliche: esse non sono aggredite dalla corrosione e, al contrario delle barre metalliche, soffrono di più in ambiente alcalino mentre sono completamente inerti in ambienti acidi o neutri. Ciò significa che, con il passare del tempo e il progredire della degradazione del calcestruzzo, la durabilità del rinforzo armato con barre in vetroresina si incrementa.
Per quanto riguarda la corrosione galvanica, potenzialmente presente nella vicinanza di linee elettriche aeree e cavidotti ad alta tensione, con la vetroresina questa non si determina in nessuna circostanza in quanto il materiale è completamente isolante e insensibile a campi elettrici e onde elettromagnetiche. Con l’utilizzo di tale materiale si ha un notevole aumento della durabilità della struttura nel suo complesso, evitando la necessità di aumentare il valore del copriferro (solitamente a protezione dell’armatura metallica) che può determinare la rapida insorgenza di fessurazioni con i danni strutturali-estetici conseguenti e costosi interventi di ripristino.
L’utilizzo dei materiali compositi fibrorinforzati, in sostituzione dell’acciaio, per la realizzazione di elementi strutturali di calcestruzzo costituisce una pratica ormai diffusa in molti Paesi al mondo, grazie alle sue proprietà:
- leggerezza: circa il 75% più leggero rispetto a un acciaio di prestazioni equivalenti, che consente un notevole risparmio nella consegna e nella movimentazione;
- resistenza alla corrosione: il rinforzo in fibra di vetro non arrugginisce mai e non teme gli effetti salini, i prodotti chimici e gli alcali;
- neutralità elettromagnetica: non contiene metallo e non interferisce nel funzionamento di dispositivi elettronici sensibili, risultando passivo alle correnti vaganti;
- isolamento termico: alta efficienza in resistenza al trasferimento di calore. Un altro aspetto chiave è la brevità del periodo di lavoro di parte delle armature in acciaio nelle strutture dei conci.
Come noto, il concio viene armato con una gran quantità di acciaio per far fronte alle sollecitazioni che nascono nel lungo e nel breve termine (in quest’ultimo caso, principalmente nelle fasi di posa in opera del concio in cui è soggetto a elevate sollecitazioni).
Questa grande quantità di materiale, estremamente energivoro, viene sfruttato per un brevissimo periodo, costituendo di fatto uno spreco e un modello di utilizzo non corretto delle proprietà di un materiale. Una totale conversione dell’armatura in acciaio con armatura in GFRP garantisce una maggiore sostenibilità dell’opera in progetto, sostenibilità che va ricercata nei molteplici aspetti che caratterizzano il materiale e lo distinguono dalle tradizionali armature in acciaio.
Innanzitutto, la sostituzione dell’armatura in acciaio con armatura in VTR porta a una riduzione del peso dell’armatura stessa, con conseguente velocizzazione della posa in opera, minor utilizzo di macchine operatrici e di maestranza. Per armare i conci prefabbricati serve mediamente un quantitativo di acciaio molto elevato (da 100 a 150 kg/m3); passando a una sola opzione integralmente in VTR, questa incidenza si ridurrebbe di circa due terzi (circa 50 kg/m3).
Di pari passo, lavorare con armature di questo tipo garantirebbe una maggiore sicurezza degli operai impiegati nelle lavorazioni e un conseguente efficientamento del processo. La sostituzione parziale o integrale dell’armatura in acciaio con una in GFRP comporterebbe una riduzione nella produzione di CO2 nella produzione delle barre, nel trasporto e movimentazione (in quanto, come è noto, l’acciaio è un materiale estremamente energivoro, paragonabile in termini di C02eq al VTR solo se si fa riferimento ad acciaio da riciclo).
L’impiego della vetroresina consente di evitare l’inserimento di alcuni additivi per il calcestruzzo atti a proteggere l’acciaio dell’armatura dalle aggressioni chimiche. Considerando le tecnologie produttive oggi in essere (armatura in acciaio vs armatura in GFRP), in termini di impatto ambientale al giorno zero, ovvero alla consegna dell’opera, si riporta un rapido confronto svolto in questi anni, secondo i parametri di:
- riduzione dello strato di ozono (Ozone depletion);
- riscaldamento globale (Global warming);
- creazione di ossidanti fotochimici (Photochemical oxidant creation);
- acidificazione (Acidification);
- eutrofizzazione (Eutrophication).
È chiaro che l’armatura in GFRP garantirebbe quindi un risultato migliore in termini di sostenibilità, sicurezza e durabilità, comportando anche un’ottimizzazione in termini di tempo e spazio dell’impianto di fabbricazione dei conci. Inoltre, la riduzione dei tempi nelle fasi costruttive e l’eliminazione di eventuali riparazioni successive alla posa in opera dei conci costituisce per certo un grande vantaggio per l’impresa costruttrice.
SOLUZIONI INNOVATIVE
Di seguito si riportano le differenti soluzioni che sono state analizzate dal punto di vista tecnico/strutturale ed economico, che costituiscono innovazioni nel campo delle armature dei conci prefabbricati. Si riporta di seguito un confronto qualitativo basato sui risultati delle analisi, sottolineando i vantaggi e le criticità delle varie soluzioni. Per le considerazioni seguenti si fa riferimento a un caso reale di galleria ferroviaria realizzata con scavo meccanizzato, partendo dalla soluzione di armatura classica in acciaio (di cui si riportano in seguito le caratteristiche) si sviluppano le soluzioni innovative.
Tutte le tipologie analizzate costituiscono soluzioni performanti e innovative, tali da garantire prestazioni uguali in termini di resistenza rispetto a un concio classico armato in barre di acciaio B450C ma migliori per sostenibilità, ottimizzazioni del materiale, fessurazione, resistenza ad attacchi chimici e alle correnti vaganti. Si sono analizzati i seguenti casi:
- A) concio in cls con armatura in tondini di acciaio;
- B) concio in cls con armatura integrale in GFRP;
- C) concio in cls con armatura classica in tondini di acciaio + barre in GFRP;
- D) concio in cls con armatura diffusa in fibre di acciaio;
- E) concio in cls con armatura in GFRP + fibre di acciaio.
Caso A: armatura in tondini di acciaio
Tale armatura è stata dimensionata per tenere in conto delle azioni a lungo termine e delle azioni transitorie a cui assoggettato il concio durante: scassero, movimentazione, stoccaggio, posa in opera e carichi litostatici. Il caso in oggetto fa riferimento alla sezione maggiormente sollecitata lungo tutta la galleria di progetto. In figura 4 si riporta la disposizione dell’armatura del concio tipo del progetto in esame.
Caso B: armatura in GFRP
Per lo sviluppo della soluzione costituita dall’armatura integralmente in vetroresina si è proceduto alla conversione acciaio- GFRP, considerando le caratteristiche delle barre in GFRP (barre e staffe ad aderenza migliorata) riportate nella tabella 4. Le barre e le staffe adottate nel dimensionamento sono tutte ad aderenza migliorata, con bond >5 MPa su CLS C20/25. Le barre in GFRP presentano un comportamento elastico-lineare fino a rottura secondo quanto espresso dall’equazione 1 e con limiti imposti dalle equazioni seguenti: Dove ffd e åfd sono la resistenza a trazione e la deformazione ultima delle barre in GFRP, Ef è il modulo elastico, ça, çl e ãf sono rispettivamente il fattore di riduzione ambientale, il fattore di riduzione che tiene conto degli effetti a lungo termine e il coefficiente di sicurezza, secondo quanto prescritto dal CNR-DT 203/2006.
La resistenza a compressione delle barre in GFRP viene trascurata. Si convertono i diametri dei tondini di acciaio in opportune barre in GFRP (mantenendo invariata la disposizione spaziale), e vengono eseguite tutte le verifiche locali e di resistenza allo SLU e SLE per le varie configurazioni di carico, transitorie e di lungo termine. Dal punto di vista statico, il concio viene armato con armature ripartitrici in direzione longitudinale all’asse della galleria e un’armatura principale in direzione trasversale, costituita da ferri calandrati. A questa armatura principale si sommano tutte le armature aggiuntive che si fanno carico delle trazioni causate dallo schiacciamento del concio in fase di posa in opera e movimentazione, dalla compressione radiale durante la vita utile dell’opera, da eventuali forze concentrate.
È cura del progettista tenere in conto tutte le condizioni dimensionanti e i possibili difetti di contatto longitudinale e trasversale che si possono avere durante la costruzione delle gallerie in conci prefabbricati, in particolare quando si adotta la tecnologia, ormai consolidata, dell’anello universale. Sono presenti anche armature a taglio costituite da staffature, principalmente sul perimetro del concio, e ovviamente anche ferri da costruzione. La totalità di questa armatura integralmente sostituita da GFRP comporta chiaramente una riduzione davvero notevole di peso e di difficoltà connesse alle lavorazioni delle barre, con possibilità di sfruttare al meglio le nuove armature adattandole alle loro funzioni, senza tener conto delle limitazioni dell’acciaio.
A titolo di esempio, si riporta in figura 6 lo sviluppo di un’armatura per concio prefabbricato totalmente in GFRP con una struttura analoga a quella classica in acciaio. L’aspetto critico risulta essere quello della fessurazione, poiché svolgere un’equivalenza a parità di rigidezza tra le due armature non è conveniente in termini economici. Una soluzione in GFRP con una integrazione di armature in acciaio o fibre metalliche manterrebbe invariato il principio di fondo del concio sostenibile e innovativo, risolvendo ogni criticità.
Caso C: armatura in tondini di acciaio + GFRP
In questo caso, si adotta l’armatura classica in acciaio per sopportare le tensioni di trazione che nascono dalle sollecitazioni a lungo termine, mentre le barre in GFRP vengono introdotte per farsi carico delle sollecitazioni che nascono in fase transitori. In particolare, vengono sostituite le posizioni introdotte per farsi carico delle trazioni che nascono dall’applicazione delle spinte dei martinetti e dal non corretto posizionamento dei conci.
Le posizioni introdotte si fanno carico di solito di sollecitazioni di transitorio e vanno a soddisfare le verifiche di resistenza. Le verifiche SLE e SLU permangono le stesse adottate nel caso A (concio armato con soli tondini di acciaio) per le sollecitazioni di lungo termine. Tale soluzione minimizza i vantaggi dell’applicazione integrale di GFRP e mantiene le criticità dell’acciaio, essendo la porzione predominante della gabbia di armatura.
Caso D: armatura diffusa in fibre metalliche
Il calcestruzzo fibro-rinforzato è un materiale composito costituito da una matrice cementizia e un rinforzo discontinuo costituito da fibre. Offre:
- maggiore resistenza allo sviluppo di fessurazioni (post-cracking strength);
- maggiore aumento di durezza (resistenza alla propagazione interna di fessure); • rinforzo ottimizzato per stress diffusi; • maggiore resistenza agli urti;
- riduzione dello spalling;
- riduzione dei tempi nella posa in opera delle armature e movimentazione.
Per un dimensionamento di massima si segue il Model Code 2010 (e CNR-DT 204) che fornisce un approccio di progetto basato sulle prestazioni e delle classi basate sulla resistenza residua post-cracking del FRC. Nel caso in esame, la classe di SFRC richiesta per far fronte alle sollecitazioni agenti sul concio tipo risulta difficilmente raggiungibile e ciò costituisce un limite operativo invalicabile.
Ulteriori aspetti critici che la soluzione con sole fibre di acciaio mantiene:
- direzionalità delle fibre;
- non performante in presenza di sforzi concentrati; • attaccabilità chimica-elettrica. Gli sforzi flessionali concentrati causati dai carichi del terreno o da contatti irregolari tra i conci durante le fasi di spinta della TBM possono determinare una domanda flessionale troppo elevata nel concio tale da rendere la soluzione in solo SFRC non ottimale, con necessità di armature ibride.
Caso E: armatura in GFRP + fibre di acciaio
Per ovviare alle criticità della soluzione D si analizza la soluzione seguente, in cui risulta presente un’armatura in GFRP in aggiunta alle sole fibre di acciaio disperse nella matrice cementizia. Le barre in VTR considerate sono analoghe (in termini di caratteristiche fisiche-meccaniche) a quelle adottate nello sviluppo della soluzione B. Si veda la figura 7 per la configurazione di barre nel concio. Tale soluzione garantisce le prestazioni richieste e l’utilizzo di un’armatura complessivamente più sostenibile e si avvicina al costo della classica soluzione integralmente in acciaio.
In conclusione, tra tutte quelle evidenziate quest’ultima risulta essere la configurazione più performante per tutti gli aspetti indicati, costituendo una vera soluzione nel rinforzo strutturale dei conci prefabbricati. La soluzione integralmente in GFRP, nonostante presenti altrettanti vantaggi, sconta un gap tecnologico rispetto all’acciaio tale da comportare un prezzo non competitivo rispetto alla soluzione classica o ibrida precedentemente evidenziate. Si auspica che nel prossimo futuro si possano fare passi avanti in questa direzione, puntando sulla possibilità di formare le armature in VTR direttamente in cantiere, abbattendo i costi complessivi.
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