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Ristrutturazione e rinforzo statico delle gallerie – prima parte

Procedure di riparazione di gallerie, anche mediante applicazione di alcuni nuovi prodotti come la malta reoplastica tixotropica bicomponente e il tessuto in acciaio zincato ad altissima resistenza UHTSS, da utilizzare per i rinforzi strutturali

sfondo rock

L’uso sempre crescente di spazio sotterraneo per la costruzione di infrastrutture di trasporto aumenta la rete di gallerie da mantenere nel tempo, mediante interventi di manutenzione e rinforzo, a volte di natura strutturale.

Allo stesso tempo, lo sviluppo e la ricerca di nuovi materiali hanno portato, negli ultimi decenni, a un uso diffuso nel mondo dell’edilizia civile di materiali compositi, rinforzati con fibre, o ad alte prestazioni, che possono essere utilmente impiegati per la riparazione di gallerie.

L’articolo presenta alcune procedure tipiche di riparazione di gallerie, anche mediante applicazione di alcuni nuovi prodotti, come la malta reoplastica tixotropica bicomponente e il tessuto in acciaio zincato ad altissima resistenza UHTSS, da utilizzare per i rinforzi strutturali.

Sono illustrati l’approccio progettuale e alcuni schemi tipici, insieme a un case history applicato dagli Autori per il ripristino di gallerie facenti parte del tratto Bologna-Firenze dell’Autostrada A1. 

Rocksoil
1. L’indagine georadar

La manutenzione delle infrastrutture

La manutenzione delle infrastrutture esistenti è una delle questioni più importanti per il mercato delle costruzioni. Per le infrastrutture, nonché per gli edifici, infatti, la ristrutturazione e il restauro sono oggi attività prioritarie, al fine di mantenere il valore delle opere esistenti e garantire condizioni di sicurezza per gli utenti.

Le gallerie sono tra le opere più difficili da gestire, considerando che sono a diretto contatto con il suolo e le acque sotterranee e le classi di esposizione potrebbero essere molto severe.

Inoltre, possono essere soggette a movimenti del suolo che si manifestano nel tempo o a eventi sismici (per le gallerie poco profonde), così che possano sorgere condizioni di carico aggiuntive durante la loro vita, portando stati tensionali aggiuntivi per i rivestimenti in opera.

Ciò è particolarmente vero per le infrastrutture costruite in Italia negli anni Sessanta/Settanta, durante il boom economico del dopoguerra, quando ebbe luogo una rapida espansione della rete di trasporto, a volte con tecnologie ancora da perfezionare.

Pertanto, è presumibile che nei prossimi anni occorrerà mettere in atto un sistema di monitoraggio e controllo delle strutture esistenti, come pure occorrerà mettere a punto tecnologie di rinforzo nell’ottica di un ampia applicazione.

Il presente articolo presenta un approccio metodologico, da applicare per definire lo stato di conservazione delle strutture sotterranee, per valutare il livello degli eventuali danneggiamenti presenti e per scegliere le soluzioni adeguate per il ripristino.

Il tutto, considerando che le attività di diagnosi e di manutenzione/rinforzo dovranno essere svolte, in molti casi, in gallerie in servizio, cercando quindi di ridurre il più possibile l’impatto sul normale esercizio. Saranno anche illustrati alcuni esempi applicativi.

Martinetto
2. La prova doorstopper

L’approccio metodologico

Il nuovo approccio progettuale, secondo le più recenti Normative e Regolamenti, prevede la redazione di un “piano di manutenzione” per qualsiasi opera in fase di progettazione, nel quale identificare il tipo e la frequenza dei controlli che devono essere condotti per garantire la funzionalità e la durabilità delle strutture.

Questo approccio non era attuato in passato e, per molti anni, non è stata condotta una verifica puntuale dello stato delle strutture. Per valutare le condizioni delle strutture esistenti, è quindi necessario eseguire ispezioni dettagliate e indagini, al fine di individuare le problematiche che devono essere approfondite e risolte. È possibile procedere con:

  • l’esecuzione di un “rilievo generale” della struttura indagata, per la definizione dello stato di ammaloramento e l’eventuale evidenziazione di problemi locali;
  • l’esecuzione di prove in situ e di laboratorio per definire le proprietà meccaniche e geometriche della struttura e lo stato di sollecitazione esistente;
  • la preparazione di un modello interpretativo dei fenomeni rilevati, in grado di valutare le cause e dimensionare gli eventuali interventi di riparazione;
  • la definizione delle tecnologie e delle fasi di lavoro più appropriate (individuando metodi e materiali di costruzione).

Il rilievo generale

Il rilievo generale deve includere una mappatura dettagliata delle condizioni delle strutture. Con riferimento ai tunnel, la superficie interna (piedritti e calotta), i marciapiedi e i pozzetti devono essere mappati e riportati in dettaglio in schemi grafici.

Nel caso di strutture in calcestruzzo, l’indagine dovrebbe includere:

  • la presenza di superfici ammalorate;
  • le situazioni di distacchi e spalling di calcestruzzo (in particolare per i copriferri nel caso di strutture in calcestruzzo armato);
  • i fenomeni di fessurazione, misurando la geometria, la profondità e la larghezza delle fessure;
  • le aree con umidità e/o presenza d’acqua, che rivestono grande importanza per la durabilità del calcestruzzo.

Si consideri infatti che, fino agli anni Ottanta, i tunnel non erano generalmente impermeabilizzati, quindi non è insolito trovare venute d’acqua concentrate o diffuse che possano avere causato danni locali alle strutture.

doorstopper
3. La posizione delle prove doorstopper

Nel caso di strutture in muratura, tipiche ad esempio delle vecchie gallerie ferroviarie, l’indagine deve anche considerare la condizione degli strati di allettamento con malta cementizia e individuare l’eventuale presenza di mattoni rotti o in fase di distacco.

Il rilievo dovrà principalmente distinguere gli ammaloramenti superficiali dalle situazioni più critiche, che possono essere correlate a sofferenze statiche, principalmente legate alla presenza di quadri fessurativi, che dovranno essere esaminate più approfonditamente mediante prove in situ.

I metodi e le prove di indagine

In caso di situazioni critiche locali, al fine di comprendere meglio le condizioni reali e le cause, vengono generalmente eseguite prove in situ e di laboratorio come descritto di seguito, insieme a un programma di monitoraggio predisposto al fine di valutare l’evoluzione dei fenomeni riscontrati. 

Le indagini laserscanner e georadar

A volte può essere molto utile valutare lo spessore dei rivestimenti, al fine di verificare se ci sono stati problemi di getto, durante la costruzione, che possono avere generato spessori ridotti. La presenza di sottospessori è infatti una delle principali cause che portano alla formazione di fessurazioni nei rivestimenti.

Questo controllo può essere facilmente eseguito mediante indagini georadar (GPR Ground Probing Radar). Questa tecnica è anche in grado di valutare, se interpretata da Tecnici Specialistici, la compattezza del calcestruzzo, evidenziando l’eventuale presenza di vuoti, aree danneggiate o parti del rivestimento che si stanno staccando.

Il georadar è inoltre in grado di evidenziare eventuali discontinuità all’interno dello spessore del calcestruzzo e di identificare l’interfaccia con il terreno/la roccia retrostante.

L’indagine mediante georadar prevede l’introduzione di un breve impulso elettromagnetico nel rivestimento attraverso l’uso di un’antenna, la cui frequenza può variare da 400 a 2.600 MHz (vengono utilizzati principalmente 750 MHz).

L’impulso si propaga nel materiale con una velocità che dipende principalmente dalla costante dielettrica del materiale stesso. Quando l’impulso incontra un’interfaccia con proprietà dielettriche diverse dal mezzo, si riflette parzialmente sulla superficie.

Tecnologie
4. Lo schema della prova di martinetto piatto

La Figura 1 soprastante mostra un tipico output dell’indagine da cui è possibile definire lo spessore del rivestimento ed eventuali difetti.

Il laser scanner può invece essere molto utile per verificare il gabarit del tunnel; inoltre consente di effettuare un’indagine accurata dei settori in cui vi sono distacchi o deformazioni dei rivestimenti, specie se eseguito in tempi successivi; confrontando i rilievi eseguiti in due momenti diversi è infatti possibile valutare l’eventuale evoluzione dei fenomeni.

Le indagini tensionali: le prove doorstopper e di martinetto piatto

Al fine di valutare se i quadri fessurativi o gli eventuali splaccaggi sono correlati o meno a problemi di natura statica, è essenziale valutare lo stato tensionale all’interno dei rivestimenti: è necessario eseguire prove in situ, di martinetto piatto o “doorstopper”.

La prova “doorstopper” prevede la misurazione delle deformazioni che si verificano sul fondo di un carotaggio di calcestuzzo (di diametro pari a 76 mm), a seguito del rilascio delle sollecitazioni ottenute mediante sovracarotaggio al suo contorno.

Questa misurazione viene eseguita mediante una cella, che incorpora quattro estensimetri a resistenza elettrica posti a 45° l’uno rispetto all’altro, che viene incollata sul fondo del carotaggio.

Una volta effettuata la misura di zero degli estensimetri, le tensioni presenti nel calcestruzzo vengono rilasciate approfondendo il coratoggio con un semplice carotiere (di diametro interno D = 61 mm), recuperando il nucleo carotato insieme alla cella di misura incollata ad esso.

È così possibile misurare le deformazioni causate dal rilascio delle sollecitazioni nella cella e – una volta definito il modulo elastico del campione – definire la sollecitazione nel calcestruzzo. Una rappresentazione schematica delle varie fasi della prova è mostrata in Figura 2 soprastante.

Le prove vengono eseguite sia in intradosso che in estradosso del rivestimento, in modo da avere lo stato di sollecitazione su tutta la sua sezione trasversale.

Generalmente, vengono eseguite tre/quattro coppie di prove, in corrispondenza della calotta e delle reni, onde determinare le sollecitazioni (e conseguentemente il momento flettente e i carichi assiali) lungo lo sviluppo dei rivestimenti, come mostrato nella Figura 3 soprastante.

Calcestruzzo armato
5. I fessurimetri elettrici

In alternativa, è possibile utilizzare prove di martinetto piatto, che sono più semplici da eseguire, anche se consentono la valutazione delle sollecitazioni solo nell’intradosso e nel caso di sollecitazione da compressione.

Con riferimento alla Figura 4 soprastante, la prova prevede l’installazione di sei target posizionati lungo il futuro taglio; viene eseguita una lettura zero, seguita dall’esecuzione del taglio e dal posizionamento del martinetto piatto all’interno del taglio stesso.

Viene quindi aumentata la pressione nel martinetto fino a quando la posizione delle basi non viene ripristinata nella condizione individuata dalla lettura di zero; questa pressione di ripristino, con alcuni fattori correttivi legati alla geometria dello strumento, rappresenta lo stato tensionale presente nel rivestimento.

Per valutare le condizioni di sicurezza delle strutture esistenti è anche necessario valutare la resistenza dei materiali strutturali: in particolare occorre eseguire prove a compressione monoassiale, del tipo UCS, su campioni di calcestruzzo da prelevare in situ.

Il monitoraggio delle fessure

È molto importante capire se i fenomeni di fessurazione siano ancora in evoluzione o se siano stabilizzati. A tale scopo è necessario prevedere una campagna di monitoraggio con fessurimetri in grado di rilevare con precisione eventuali movimenti.

È preferibile utilizzare fessurimetri elettrici dotati di datalogger automatico (UAD) e termometro: ciò consente la lettura automatica dell’apertura della fessura monitorata, attraverso la variazione di resistenza di un circuito posto sulla barra dell’estensimetro.

Tali fessurimetri sono costituiti da due basi di misura installate su entrambi i lati della fessura da monitorare e da un corpo centrale dotato di un trasduttore elettrico, come mostrato in Figura 5 soprastante.

Vengono anche posizionati alcuni fessurimetri meccanici, in cui la misurazione viene eseguita manualmente utilizzando una strumentazione analogica di precisione (comparatore millesimale – sensibilità 0,001 mm), per confronto con le letture automatiche. È molto importante registrare anche le variazioni di temperatura, in modo da valutare se il movimento delle fessure può essere ad esse correlato.

Fessurimetri
6. Una sintesi dei dati costruttivi

La modellazione della problematica

I dati raccolti consentono di esprimere valutazioni sulle cause del danno riscontrato. In molti casi non vi sono situazioni tensionali critiche e il monitoraggio effettuato mostra una stabilizzazione dei fenomeni di fessurazione.

In questi casi gli ammaloramenti riscontrati sono quindi imputabili alla vecchiaia delle strutture, stante il prolungato tempo in esercizio, oppure a difetti di costruzione, come giunti irregolari, fessurazioni per ritiro o fenomeni termici durante le fasi di getto: in questi casi, è possibile procedere con ripristini di natura cosmetica, con la sigillatura delle fessure escludendo problematiche di natura statica.

Se invece le informazioni raccolte indicano la presenza di problematiche di natura statica, di interazione tra terreno-struttura o l’ammaloramento riscontrato è tale da determinare rischi per la stabilità delle strutture, è necessario predisporre un “modello interpretativo” della situazione, per poter progettare in dettaglio l’intervento di ripristino e/o rinforzo strutturale.

Per la ricostruzione di un modello interpretativo è necessario recuperare, per quanto possibile, i dati di costruzione dell’opera, quali le fasi esecutive, gli interventi adottati in fase di scavo, la tipologia dei pre-rivestimenti e dei rivestimenti definitivi adottati e, infine, i dati di monitoraggio registrati durante la costruzione e durante le prime fasi di esercizio.

La Figura 6 soprastante riporta un diagramma tipico con la sintesi dei dati di costruzione lungo il tracciato della galleria: le condizioni geologiche, l’eventuale presenza di faglie e/o zone fratturate, i parametri geomeccanici dell’ammasso roccioso (GSI, RMR, ecc.) e le deformazioni che si sono registrate durante le fasi di scavo (convergenze dei pre-rivestimenti ed eventuali movimenti dei rivestimenti definitivi a seguito lella loro realizzazione).

Queste informazioni, insieme ai dati raccolti dalle indagini illustrate nel capitolo “I metodi e le prove di indagine”, vengono impiegate per preparare un “modello numerico” che rappresenti, mediante un approccio di back-analysis, la presunta situazione attuale (Figure 7A e 7B).

  • Modello FEM
    7A rock
    7A. Esempio di modelli numerici FEM 2D-3D
  • Piedritto
    7B rock
    7A. Esempio di modelli numerici FEM 2D-3D

Con un tale modello è possibile riprodurre le zone critiche dei rivestimenti e valutarne le sollecitazioni agenti – momento flettente, forza assiale e taglio – da utilizzare per dimensionare l’intervento di consolidamento/rinforzo.

Una considerazione particolare riguarda le azioni sismiche: le Normative più recenti richiedono la valutazione della sicurezza delle infrastrutture durante gli eventi sismici. Questo requisito si applica anche ai tunnel, in particolare quelli con scarsa copertura.

Molte gallerie esistenti non furono dimensionate per far fronte a eventi simili. È quindi spesso necessario valutare il loro comportamento sotto sisma e definire i necessari interventi di rinforzo.

Anche per svolgere queste analisi è necessario eseguire le indagini sopra illustrate nei capitoli “Il rilievo generale” e “I metodi e le prove di indagine” e preparare un modello che includa tutte le informazioni disponibili.

Una volta valutate le azioni sismiche in base alle accelerazioni attese, alla vita utile delle strutture e al periodo di ritorno dell’evento sismico, esse saranno applicate al modello in modo da valutare se sono compatibili o meno con le caratteristiche di resistenza delle strutture e, di conseguenza, definire gli interventi di rinforzo eventualmente necessari. Possono essere utilmente impiegati metodi semplificati.

È possibile proseguire la lettura della seconda parte dell’articolo su https://www.stradeeautostrade.it/gallerie-e-tunnelling/ristrutturazione-e-rinforzo-statico-delle-gallerie-seconda-parte/ (online da mercoledì 11 Marzo).

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