Il mondo delle opere in sotterraneo è in forte e continua evoluzione elevando gli standard di ricerca integralmente finalizzata a rendere l’esecuzione delle nuove opere sempre più sicura ed efficiente, a ridurre l’impatto delle opere stesse sull’ambiente e ad aumentarne la fruibilità per la società. In questo ambito l’utilizzo di barre in GFRP possono essere una soluzione efficace alle moderne esigenze.
Nel corso degli anni ho seguito attivamente la stragrande maggioranza delle innovazioni introdotte nel mondo del tunnelling in Italia, ognuna delle quali ha consentito l’allargamento delle frontiere del mondo delle opere in sotterraneo.
Ogni intelligente innovazione attuata in Italia ha consentito un rilevante passo avanti verso il progresso tecnologico: passando dall’innovazione della volta attiva e dell’arco cellulare, che ha permesso di aprire a foro cieco ed a piena sezione gallerie di dimensioni fino ad allora impensabili (Φ>20m) in terreni incoerenti, allo scavo con frese ad attacco integrale e continuo tipo EPB che hanno consentito un deciso incremento della sicurezza e dell’industrializzazione degli scavi, passando per l’introduzione dell’anello universale che costituisce la soluzione ottimale per il rivestimento definitivo di gallerie circolari realizzate con TBM.
L’anello di rivestimento così detto “universale” tramite la sua geometria “conica” e i conci prefabbricati in c.a. che lo costituiscono, presenta una notevole flessibilità nell’adattamento alle differenti condizioni plano-altimetriche di qualunque tracciato. Nonostante sia meno operativo, seguo con grande attenzione tutte le innovazioni che, nel mondo del tunnelling, vengono portate avanti per migliorare l’operatività, l’efficienza e la sicurezza delle gallerie di nuova realizzazione. Oggigiorno l’innovazione che ritengo più necessaria e utile da introdurre in tempi rapidi è quella dell’utilizzo delle barre in vetroresina (GFRP) nelle armature dei conci prefabbricati per il rivestimento delle gallerie naturali, non soltanto per strutture provvisionali ma anche per opere definitive, per motivi sia di sostenibilità ambientale sia di progresso tecnico e ingegneristico.
PROBLEMATICHE DELLE STRUTTURE IN C.A. E INTRODUZIONE DELLA VETRORESINA
Al giorno d’oggi uno dei problemi che più influenza la durabilità delle strutture in calcestruzzo armato, riducendone la vita utile, è rappresentato dalla corrosione delle armature metalliche presente in grande quantità all’interno dei conci per gallerie. Come è noto, la corrosione dell’acciaio presente negli elementi strutturali in c.a. può essere causata da acqua e ossigeno e anche da correnti galvaniche che si determinano nelle vicinanze di linee elettriche aeree e cavidotti ad alta tensione.
Spesso, per la durabilità di un’opera in c.a. si sceglie di aumentare il valore del copriferro a protezione dell’armatura metallica; questa scelta, tuttavia, in caso di non corretta realizzazione e armatura dello spessore di copriferro – necessaria quando questo assume valori superiori ai 5 cm – può determinare la rapida insorgenza di fessurazioni con i danni conseguenti. La corrosione delle armature metalliche produce ossido di ferro che causa il rigonfiamento delle barre; tale aumento di volume induce fessurazioni nel calcestruzzo, perdita di aderenza ed espulsione del copriferro.
L’impatto estetico prodotto da questo fenomeno è assolutamente negativo e richiederebbe importanti manutenzioni, intaccando la durabilità dell’opera. Per contrastare quanto detto, l’attività principale che viene solitamente avviata nella pratica di cantiere consiste nel ripristino corticale delle opere ma una innovazione – dal mio canto intelligente – che si sta imponendo nel panorama internazionale è costituita dalle barre in vetroresina.
La vetroresina (VTR) è un tipo di plastica rinforzata con fibre di vetro (GFRP – Glass Fiber-Reinforced Plastic), 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 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: 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, 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. Attualmente risultano largamente usate le armature in vetroresina nella costruzione di diaframmi o conci provvisionali.
Le barre in fibra di vetro hanno un’elevata resistenza alla trazione e risultano semplici da tagliare. La bassa resistenza al taglio permette alla TBM di attraversare facilmente la sezione di diaframma rinforzato con fibra di vetro, con enormi vantaggi in termini di sicurezza, di risparmio di tempo e quindi anche economici; discorso analogo per la demolizione di conci di galleria tramite delle benne o martelli. Esempi tipici si possono ritrovare nelle gallerie stradali e ferroviarie nelle quali alcune sue porzioni devono essere demolite per la realizzazione di nicchie, cameroni o bypass tra canne adiacenti. In tutti questi casi, il vantaggio di utilizzare un rinforzo in GFRP è legato alla rapidità delle procedure per la demolizione e smaltimento.
Per quanto riguarda le strutture permanenti, i vantaggi nell’utilizzo di GFRP sono più rilevanti. Tale rinforzo può rappresentare una buona soluzione laddove problemi di durabilità potrebbero compromettere l’integrità della galleria (ad esempio, gallerie realizzate in terreni aggressivi o con funzione di trasporto delle acque reflue). Inoltre, la possibilità di usare un rinforzo non soggetto a corrosione consente una riduzione del copriferro, andando quindi a ridurre possibili danni durante le fasi di movimentazione, trasporto e installazione dei conci prefabbricati. Infine mi risulta che, tramite all’installazione di una serie di anelli in calcestruzzo armato rinforzato con barre in GFRP, è possibile interrompere l’insorgere di correnti vaganti e il problema della corrosione che da esse si genera.
Un altro aspetto chiave che mi ha spinto ad avvicinarmi al mondo della vetroresina (GFRP) 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 armatura di acciaio per far fronte alle sollecitazioni che nascono nel lungo termine e nel breve termine (principalmente nelle fasi di posa in opera del concio), questa grande quantità di materiale, estremamente energivoro, viene sfruttato per un brevissimo periodo, costituendo a mio avviso uno spreco e un modello di utilizzo non corretto delle proprietà di un materiale.
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 del 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;
- isolante termico: alta efficienza in resistenza al trasferimento di calore.
Dall’esperienza maturata nel corso degli anni conosco le maggiori criticità che si riscontrano nei tunnel dove sono presenti i conci prefabbricati, come 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.
Una soluzione che consente la riduzione del copriferro, la possibilità di armare gli spigoli e di garantire ottime prestazioni durante tutta la vita del concio prefabbricato risulterebbe perciò estremamente funzionale. Una protezione pellicolare diffusa certamente può far fronte alle problematiche più di frequente riscontrabili nei conci prefabbricati per gallerie naturali. Già da tempo si stanno studiando e sperimentando armature in vetroresina (VTR) che, da sole o integrate con armature metalliche necessarie per eventuali sollecitazioni a lungo termine, rappresentano una vera innovazione positiva nel campo dello scavo meccanizzato. Sebbene il loro costo sia superiore rispetto a quello delle tradizionali armature, risulta bilanciato sia da un punto di vista dei “costi per la manutenzione dell’opera” durante la sua vita utile richiesta (100÷120 anni) sia dai vantaggi precedentemente descritti.
Ho trovato che un aspetto chiave della totale conversione dell’armatura in acciaio con armatura in GFRP sta anche nella elevata sostenibilità del concio armato con barre in GFRP e nelle performance durante la sua vita utile. La sostenibilità va ricercata nei molteplici aspetti che caratterizzano il materiale e lo distinguono dalle tradizionali armature in acciaio. Nella tabella 1 si riporta a titolo di esempio una lista di tipologie di barre in VTR con le relative proprietà meccaniche, molto apprezzabili.
Nello studio della sostenibilità del concio armato con barre in GFRP non mi sono limitato a focalizzare l’attenzione sulle caratteristiche fisico-chimiche del materiale ma l’aspetto fondante l’ho ricercato nell’opera nel suo complesso, dalla sua concezione fino alla fine del ciclo di vita, per comprendere se è possibile ottenere un risultato migliore rispetto a un’opera realizzata con materiali tradizionali. Innanzitutto la sostituzione dell’armatura in acciaio con armatura in VTR porterebbe 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 ad una sola opzione integralmente in VTR questa incidenza si ridurrebbe di circa due terzi (circa 50 kg/m3). Di pari passo, lavorare con delle armature di questo tipo garantirebbe una maggiore sicurezza dei lavoratori 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 quanto come è noto l’acciaio è un materiale estremamente energivoro). L’impiego della vetroresina comporta la possibilità 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, riporto 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.
Questa tecnologia consente di avere un’armatura non suscettibile a corrosione e che non conduce correnti elettriche, aspetti fondamentali in tunnel – ferroviari ad esempio – che porterebbe a una maggiore durabilità dell’opera stessa. Il mio interesse per l’innovazione presentata è dovuto anche, come anticipato, alla maggiore durabilità della vetroresina rispetto a quella dell’acciaio.
Tale aspetto, nell’ambito dell’ingegneria civile assume sempre maggior rilevanza sia nella progettazione di nuove opere sia nel progetto di interventi di ripristino/recupero di opere esistenti in relazione alla elevata incidenza della manutenzione ordinaria e straordinaria nella gestione della vita delle costruzioni. La durabilità delle strutture – definita dal DM 17/01/2018 (NTC 2018) come la “capacità della costruzione di mantenere, nell’arco della vita nominale di progetto, i livelli prestazionali per i quali è stata progettata, tenuto conto delle caratteristiche ambientali in cui si trova e del livello previsto di manutenzione” – è un aspetto strettamente correlato con la correttezza del progetto in relazione all’ambiente di servizio della struttura, la qualità dei materiali, la posa in opera degli elementi, i controlli in fase di esecuzione e una costante manutenzione.
La scelta opportuna dei materiali riveste pertanto importanza cruciale tra i vari aspetti che possono garantire la durabilità di una struttura in modo che eventuali degradi che si verifichino durante la vita nominale di progetto dell’opera, non ne riducano le prestazioni al di sotto del livello previsto. Per le strutture in c.a. esposte all’azione dell’ambiente, si devono quindi adottare tutti i provvedimenti atti a limitare gli effetti di degrado indotti dall’attacco chimico, fisico e quelli derivanti dalla corrosione delle armature e dai cicli di gelo e disgelo.
La durabilità delle opere in calcestruzzo armato deve essere progettata così come si progetta la stabilità dell’opera, ovvero il progetto deve essere sempre riferito all’ambiente in cui si troverà a operare la struttura ed alle possibili cause di degrado ambientali presenti. Specie nel caso di strutture in sotterraneo quali le gallerie, gli interventi di manutenzione ordinaria e straordinaria hanno incidenze significative sulla gestione dell’opera.
Assicurare una maggiore durabilità delle opere mediante l’utilizzo dei materiali e degli interventi più opportuni garantisce una significativa riduzione degli interventi di manutenzione e la continuità di funzionalità della struttura per il tempo preventivato. Dal punto di vista statico, il concio viene armato con delle 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 che nascono a causa dello 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, oramai consolidata, dell’anello universale.
In figura 6 e 7 sono riportati dei meccanismi critici da considerare nel progetto. Sono presenti anche armature a taglio costituite da staffature, principalmente sul perimetro del concio, e ovviamente anche ferri da costruzione. Mi risulta che l’ordine di grandezza per le barre calandrate principali e secondarie (dritte) si aggiri attorno a Ø10- Ø12- Ø14 dipendente dalle caratteristiche geometriche e geomeccaniche del sito.
Le barre predisposte a sopportare le forze di trazione che nascono in seguito alle spinte dei martinetti in fase di avanzamento della macchina mi risultano essere anche di diametri importanti Ø26- Ø28. L’insieme di queste barre costituiscono il 60-70% dell’armatura complessiva del concio, in termini di peso. La totalità di questa armatura integralmente sostituita da GFRP comporterebbe una riduzione di peso e difficoltà connesse al- le lavorazioni delle barre davvero notevole, con possibilità di sfruttare al meglio le nuove armature adattandole alle loro funzioni, senza tener conto delle limitazioni dell’acciaio. I diametri sostitutivi delle barre in VTR mi risultano simili a quelli delle classiche armature in acciaio, per garantire le stesse prestazioni in termini di resistenza abbattendo di 2/3 il peso complessivo.
A titolo di esempio si riporta in figura 8 lo sviluppo di un’armatura per concio prefabbricato totalmente in GFRP, con una struttura analoga a quella classica in acciaio. L’aspetto critico mi risulta essere quello della fessurazione, poiché svolgere un’equivalenza a parità di rigidezza tra le due armature non è conveniente in termini economici. Per ovviare a ciò ritengo che si possa sviluppare una soluzione in GFRP con una integrazione di armature in acciaio o fibre metalliche, mantenendo invariato il principio di fondo del concio sostenibile e innovativo.
INDAGINI ED ESAMI SULLE SOLUZIONI IN GFRP
A supporto di quanto appena scritto si riportano i risultati ottenuti da prove in scala reale su due conci effettuate presso il Laboratorio dell’Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”: uno armato con armatura classica in tondini di acciaio e un altro in barre in GFRP. Le caratteristiche dei conci e di prova sono riportate in figura 9.
Il concio di riferimento (CA-A) è rinforzato con una gabbia in acciaio da carpenteria B450C costituita da 12 barre longitudinali Ø12 mm, poste sia nella zona di intradosso che di estradosso del concio con interferro variabile tra i 100÷200 mm; l’armatura trasversale è costituita da 32 staffe Ø10 mm con passo variabile tra 125 e 175 mm. Alla luce delle linee guida del CNR-DT 2006, il concio in GFRP è stato rinforzato con 12Ø12 mm nella zona di estradosso e con 12Ø14 mm nella zona di intradosso. L’armatura trasversale si avvale di 32 staffe Ø12 mm. Gli interferri ed i passi delle staffe sono gli stessi del concio di riferimento. Entrambi i conci sono stati realizzati considerando un calcestruzzo C40/50. I conci sono stati sottoposti a flessione al fine di evidenziare la risposta del rinforzo.
Le prove a flessione, eseguite in controllo di spostamento, sono state condotte caricando i conci con il set-up di prova illustrato in figura 10. Durante la prova sono stati continuamente registrati sia lo spostamento in mezzeria sia le aperture delle fessure. In figura seguente sono riportati i risultati, espressi in termini di curve caricospostamento, delle prove di flessione effettuate su entrambi i conci (CA-A; CAVTR) e si riportano in tabella 4 i valori di carico massimo raggiunto (Pmax) e il massimo spostamento in mezzeria (δmax). Il carico massimo raggiunto è stato di 395 kN per il concio CA-A e 640 kN per il concio CAVTR.
Dal confronto tra le curve si può osservare inoltre come il concio CA-A ha mostrato un comportamento più rigido del concio CA-VTR. Ciò è dovuto principalmente al più alto modulo elastico dell’acciaio rispetto al modulo elastico delle barre in GFRP (confrontabile con il modulo elastico del calcestruzzo).
In entrambi i casi, la capacità ultima dell’elemento strutturale è stata raggiunta per il conseguimento della resistenza ultima a trazione del rinforzo in zona tesa ed è chiara l’elevata resistenza del concio con GFRP.
La figura 11 mostra il rilievo (larghezza 1,485 m, spessore 0,4 m, lunghezza 4,5 m) dei quadri fessurativi che si sono sviluppati durante la prova di carico. La fessurazione risulta essere più diffusa nel concio rinforzato con GFRP. Per avere un quadro più completo anche dal punto di vista economico ho seguito con attenzione delle comparazioni sull’incidenza, e quindi sul conseguente costo complessivo, dell’armatura in conci prefabbricati per gallerie, adottando di volta in volta diverse tecnologie di armatura. Riassumendo gli aspetti principali delle analisi attenzionate, si parla di un’incidenza di circa 150 kg/m3 per un’armatura classica in tondini di acciaio ed un’incidenza di circa 60 kg/m3 per un’armatura integralmente in barre di GFRP.
Vengono analizzate anche soluzioni costituite da armatura in tondini di acciaio + barre in GFRP (inserite per le sole sollecitazioni di trazione che nascono a causa delle spinte dei martinetti e dal non corretto posizionamento dei conci), soluzioni con armatura totalmente in fibre di acciaio (economiche ma non molto performanti per carichi concentrati o particolari condizioni di carico) e soluzioni ibride barre in GFRP+fibre di acciaio (che coniugano elevata resistenza alle sollecitazioni in gioco e a fessurazione).
Le fibre di acciaio come unico rinforzo strutturale non garantisco le stesse performance delle altre soluzioni a causa dei problemi connessi alla direzionalità delle fibre e della non adattabilità alle condizioni di carico dei conci prefabbricati in fase di posa in opera. Garantiscono ottime prestazioni invece in temini di resistenza alla fessurazione (integrate con altre armature) e rigidezza.
Nonostante la soluzione con GFRP non risulti la più economica per i prezzi odierni di vendita, ritengo essere la migliore dal punto di vista delle performance (al più integrata con tondini o fibre di acciaio). Di seguito si riportano alcuni casi reali di utilizzo strutturale delle fibre in GFRP, anche per strutture definitive:
- diaframmi e pali: linea 14 – Metro Parigi;
- conci prefabbricati in anelli universali (giunti dielettrici): Metro 4, Milano;
- culla di lancio TBM);
- tiranti di ancoraggio.
Lo scenario attuale, dove sono stati predisposti accordi internazionali ed interni per limitare le produzioni di inquinanti e dove l’utilizzo di materiali che riducano al minimo le emissioni, laddove possibile, diventa uno dei criteri volti a guidare intelligentemente le scelte progettuali, ci impone a impegnarci su questo aspetto di fondamentale importanza per il futuro.
Mettendo a sistema tutti i futuri vantaggi che promette questa nuova tecnologia, si delinea chiaramente il profilo di una brillante innovazione per il mondo del tunnelling e per la sostenibilità intelligente delle opere infrastrutturali che si avvicina allo sfruttamento ottimale del materiale da costruzione, riducendo gli sprechi e adattando le proprietà di resistenza di uno specifico materiale alle problematiche riscontrante nella realtà.
Credo che, così come le innovazioni introdotte negli anni (arco cellulare, anello universale, scavo con frese ad attacco integrale e continuo tipo EPB, scavo in tradizionale a piena sezione con preconsolidamento del terreno in avanzamento), anche la transizione alla vetroresina per questo tipo di armature possa essere una scelta intelligente ed utile. Sarà compito dei nuovi progettisti studiare e adattare tale brillante tecnologia affinché risulti un’innovazione operativa in accordo alle normative vigenti in Italia e in Europa.
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