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Ristrutturazione e rinforzo statico delle gallerie – seconda 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

Prima di leggere questo articolo, vi invitiamo alla prendere visione della prima parte su https://www.stradeeautostrade.it/gallerie-e-tunnelling/ristrutturazione-e-rinforzo-statico-delle-gallerie-prima-parte/.

I metodi costruttivi e i materiali

A seconda delle tipologie e delle natura degli ammaloramenti riscontrati, si possono applicare diversi interventi, dalla semplice sigillatura delle fessure al posizionamento di piastre in acciaio e materiali di rinforzo. Di seguito sono presentati alcuni degli interventi più comuni.  

La sigillatura delle fessure (apertura 1,0-1,5 mm)

Se l’apertura delle fessure è inferiore a 1,0-1,5 mm e la posizione è trasversale all’asse dei tunnel (ciò significa giunti trasversali, quindi fessure che dividono il rivestimento in blocchi), è possibile procedere alla loro sigillatura seguendo la seguente fasistica:

  • esecuzione di un taglio, con una smerigliatrice, per una profondità di 100-150 mm (spessore di circa 2-3 mm) lungo l’intera fessura;
  • lavaggio del taglio con acqua in pressione;
  • preparazione e applicazione di malte cementizie pronte all’uso con proprietà tissotropiche bicomponenti. La malta viene applicata direttamente a spatola, esercitando una buona pressione e compattazione.
Sigillatura
1. La procedura di sigillatura delle fessure
La sigillatura delle fessure (apertura > 1,5 mm)

Se l’apertura delle fessure è maggiore di 1,5 mm, è necessario sigillarle mediante iniezioni (Figura 1):

  • esecuzione di fori con punte del diametro di 8 mm lungo l’intero asse della fessura con un’inclinazione di 45°, alternandole a destra e a sinistra della fessura, in modo tale da intercettare la superficie della fessura stessa;
  • pulizia dei fori con aria compressa e inserimento nei fori di speciali tubi in PVC o rame;
  • sigillare i tubi applicati e la superficie esterna della fessura con un adesivo epossidico bicomponente per l’incollaggio strutturale;
  • dopo circa 24 ore, una volta indurito l’adesivo, ogni tubo verrà nuovamente pulito con aria compressa, verificando allo stesso tempo che i tubi e la chiusura esterna siano ben sigillati;
  • procedere all’iniezione di resina epossidica bicomponente, a bassissima viscosità; l’applicazione del materiale avverrà con una pompa di iniezione pneumatica o manuale, pompando il prodotto all’interno dei tubi preparati. L’iniezione inizierà dal basso e continuerà fino a quando il prodotto fuoriesce dal tubicino superiore;
  • una volta completata l’operazione di iniezione, i tubi verranno tagliati a livello dell’intradosso e la superficie verrà ripristinata con un adesivo epossidico bicomponente per l’incollaggio strutturale.
I materiali per la sigillatura

Per l’intervento descritto al sottocapitolo “La sigillatura delle fessure (apertura 1,0-1,5 mm)”, viene generalmente utilizzata una malta cementizia, ad esempio MapeGrout LM2K: classe R3, UCS pari a 10 MPa dopo 24 ore e maggiore di 35 MPa dopo 28 giorni, modulo elastico > 15 GPa, adesione maggiore di 2,0 MPa (secondo EN1766) e classe di resistenza al fuoco E.

Per gli interventi descritti nel sottocapitolo “La sigillatura delle fessure (apertura > 1,5 mm)”, occorre un adesivo epossidico, come ad esempio il prodotto Adesilex PG1 utilizzato per sigillare i tubi e i fori esterni: è necessaria una resistenza all’adesione superiore a 3,0 MPa, secondo la EN 12636, UCS superiore a 50 MPa e lavorabilità nell’intervallo 30-60 minuti con indurimento in 5-7 ore.

Infine, per l’iniezione delle fessure, viene utilizzata una resina epossidica bicomponente, come ad esempio Epojet o Epojet LV, con viscosità molto bassa ~ 140 mPa • s e controllo sul ritiro < 3% (secondo EN 12617-2) e UCS > 60 MPa.

  • Carotaggio
    9A rock
    2A. L’intervento con tessuto in acciaio UHTTS
  • Acciaio
    9B rock
    2B. L’intervento con tessuto in acciaio UHTTS
Gli interventi di rinforzo

Quando il fenomeno della fessurazione è molto esteso e si presume che si presentino problemi statici, potrebbe essere necessario eseguire interventi di rinforzo incrementando le caratteristiche di resistenza dei rivestimenti.

È il caso in cui i rivestimenti in calcestruzzo semplice non sono in grado di sopportare sollecitazioni di trazione, conseguenti a carichi non simmetrici, azioni sismiche, spinte d’ammasso localizzate; è quindi necessario correggere la sezione resistente applicando nuovi materiali ad alte prestazioni: lastre di carbonio e materiali compositi (FRP), materiali in fibra di vetro (GFRP) o tessuto in acciaio zincato ad alta resistenza (UHTTS) sono tutte soluzioni adeguate.

Per le applicazioni in sotterraneo, l’uso di acciaio ad alta resistenza, come il tessuto Steel Net, è una soluzione molto flessibile, in grado di aumentare la resistenza a trazione dei rivestimenti con una variazione molto ridotta dello spessore, in modo da preservare il gabarit della sezione.

Lo Steel Net viene annegato in uno strato di malta, dopo aver rimosso alcuni centimetri del calcestruzzo esistente.

Queste sono le fasi di esecutive:

  • rimozione di uno spessore di calcestruzzo di circa 45-50 mm (non superiore al copriferro del calcestruzzo armato);
  • pulitura delle superfici da rinforzare, rimuovendo eventuali parti danneggiate o incoerenti;
  • irruvidimento della superficie del calcestruzzo e ripristino di eventuali volumi mancanti con malte cementizie;
  • installazione di un primo strato di malta bicomponente R4, come ad esempio il Concrete Rock V2, utilizzando una spatola, per uno strato di 15-20 mm;
  • posizionamento dello strato di tessuto in acciaio zincato UHTSS come Steel Net 220, nella malta fresca, in senso trasversale e/o longitudinale, avendo cura di impregnarlo perfettamente ed evitando la formazione di rughe o bolle;
  • installazione dei connettori in acciaio, come del tipo SFIX G 10-12, mediante perforazione del rivestimento in calcestruzzo e iniezione di malte/resine speciali per la sigillatura degli elementi di connessione;
  • installazione dello strato finale di malta bicomponente R4, come ad esempio il Concrete Rock V2, fino a raggiungere uno spessore protettivo contro un possibile incendio, pari a circa 30-35 mm (spessore totale della malta, posata in due strati pari a 50-60 mm).
Prove di indagine
3. Un dettaglio degli interventi con piastre d’acciaio

In questo modo, parte del rivestimento esistente viene sostituito con materiale ad alte prestazioni, in grado di sopportare le sollecitazioni di trazione e aumentare la resistenza flessionale della struttura.

Le Figure 2A e 2B soprastanti rappresentano un tipico intervento: per coprire l’area fessurata vengono posizionati tessuti Steel Net longitudinalmente e alcuni trasversalmente (ogni 1,00 m), a cucire la fessura. Circa 50 mm di rivestimento in calcestruzzo vengono rimossi e sostituiti con malta bicomponente (primo strato 15 mm e strato finale 35 mm).

Il tessuto a rete in acciaio UHTTS è preparato in rotoli, di larghezza 300 mm, spessore equivalente 0,27 mm (2,72 mm/cm2), resistenza a trazione allo stato limite ultimo ULS pari a 6.900 kN/cm, modulo elastico > 190 GPa e deformazione di trazione > 1,6%.

Per le connessioni, si suggeriscono elementi in acciaio zincato, di diametro 10-12 mm, con resistenza a trazione superiore a 2.400 MPa e deformazione sotto trazione > 1,6%. Infine, per la malta bicomponente, sono generalmente richiesti i seguenti requisiti: resistenza a compressione UCS > 45 MPa e adesione > 2,5 MPa. 

L’uso di piastre e di blindaggi d’acciaio

Una tipologia di rinforzo più robusto è il posizionamento, all’intradosso dei rivestimenti, di piastre in acciaio, con spessore variabile in base alle esigenze statiche da 15 a 30 mm, collegate al rivestimento esistente mediante bulloni in acciaio.

Questo intervento è in grado di aumentare sia la resistenza flettente del rivestimento, sostenendo le sollecitazioni di trazione, sia la resistenza al taglio, aumentandone la rigidezza.

  • Monitoraggio
    11A rock
    4A. Alcune fessure verticali monitorate
  • Ammasso roccioso
    11B rock
    4B. Alcune fessure verticali monitorate

Ne deriva una sezione resistente acciaio-calcestruzzo, tipica di una struttura mista; la collaborazione statica del rinforzo con la struttura esistente viene garantita dalla posa in opera di connettori: generalmente vengono utilizzati bulloni in acciaio M24-M30, con foro di perforazione 30-38 mm e profondità 250-300 mm.

Anche in questa applicazione verranno rimossi pochi centimetri del calcestruzzo esistente per mantenere invariato lo spessore finale del rivestimento esistente. Al fine di disporre le piastre d’acciaio secondo la geometria del rivestimento – che può presentare difetti o irregolarità – queste sono posizionate generalmente a 30-50 mm di distanza dal suo intradosso e tale intercapedine viene riempita con malta R3-R4.

L’acciaio deve essere coperto con vernici intumescenti, quale protezione al fuoco. La Figura 3 soprastante mostra i dettagli dell’intervento.

Casi applicativi

Alcuni degli interventi descritti nel capitolo “I metodi costruttivi e i materiali” sono stati applicati per il ripristino di gallerie facenti parte dell’autostrada Bologna-Firenze e di un tunnel sulla viabilità di collegamento a Firenze.

Autostrada Bologna-Firenze
5. La variazione dell’apertura di una fessura in funzione della temperature

Nelle Figure 4A e 4B soprastanti sono riportate alcune tipiche fessure verticali, per ritiro del calcestruzzo: è stata applicata una riparazione secondo le modalità descritte ai sottocapitoli “La sigillatura delle fessure (apertura 1,0-1,5 mm)” o “La sigillatura delle fessure (apertura > 1,5 mm)”, a seconda dell’apertura della fessura, dopo aver verificato mediante monitoraggio con fessurimetri che i fenomeni si erano stabilizzati.

La Figura 5 mostra la tendenza tipica dell’apertura di una fessura (linee rosse e blu) influenzata dalla variazione di temperatura (linea gialla): si può notare un aumento dell’apertura durante il periodo invernale, in presenza di basse temperature, e una chiusura della fessura in estate con l’aumentare delle temperature.

È importante valutare che non sia presente un trend crescente a significare un fenomeno in evoluzione. Per le fessure longitudinali, specialmente se localizzate in calotta (Figura 6A), è preferibile approntare un intervento di rinforzo strutturale; è necessario verificare se la fessura interessi l’intero spessore del rivestimento o meno, eseguendo un carotaggio nello stesso (Figura 6B).

Le Figure 9A e 9B sottostanti mostrano un rinforzo strutturale mediante l’impiego del tessuto in acciaio zincato UHTSS Steel Net 220, per riparare parte di una calotta interessata da fessure: il nastro, di larghezza 300 mm, viene srotolato e posizionato con malte specifiche sull’intradosso del rivestimento della galleria, in corrispondenza delle fessure, fissandolo meccanicamente con connettori (in questo caso sono state utilizzate staffe in acciaio) e annegandolo in uno strato di malta ad alte prestazioni.

  • Malta
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    6A. La fessura longitudinale
  • Protezione
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    6B. La verifica con carotaggio
  • Viabilità
    14 rock
    7. Il rinforzo del piedritto con piastre d’acciaio

Il dimensionamento dell’armatura deve tener conto della resistenza a trazione del tessuto d’acciaio, pari a 6.900 N/cm, e del limite di delaminazione pari a fdd = 1.440 N/mm2.

Considerando l’area in acciaio, 272 mm2, la resistenza del sistema di rinforzo è facilmente valutabile (si suggerisce l’uso di un fattore di sicurezza pari a 1,2). Per raggiungere la resistenza richiesta possono essere utilizzati diversi strati sovrapposti di Steel Net 220.

Il tessuto in acciaio Steel Net 220 può essere utilizzato anche per rinforzi sistematici, se si desidera aumentare la resistenza dei rivestimenti in calcestruzzo per supportare carichi imprevisti o condizioni sismiche. I tessuti d’acciaio vengono posizionati lungo l’intero profilo d’intradosso del tunnel, a una distanza variabile normalmente nell’intervallo 1,20-1,80 m in base all’aumento della resistenza da ottenere.

Infine, la Figura 7 soprastante mostra un esempio di utilizzo di piastre d’acciaio per rinforzare il piedritto di una galleria in cui si erano generati carichi concentrati tali da creare fessurazioni nel rivestimento (di ampiezza centimetrica), splaccaggi del calcestruzzo e rotture per taglio.

Il problema era principalmente localizzato all’intersezione con un cunicolo laterale, disposto con asse inclinato rispetto all’asse del tunnel principale e costruito successivamente ad esso, che aveva determinato concentrazioni tensionali localizzate.

Fessurimetri
8. Il modello FEM 3D per la valutazione di sollecitazioni localizzate

Un modello 3D mediante l’impiego del software SAP 2000 (Figura 8) ha permesso di valutare in dettaglio lo stato tensionale presente nel nodo e di dimensionare il rinforzo necessario.

I risultati del modello sono stati confrontati e calibrati con i risultati delle prove doorstopper eseguite nei punti più significativi del rivestimento. Sono state utilizzate piastre d’acciaio S355 di 20 mm di spessore, connesse al rivestimento mediante bulloni M30, classe 8.8, di 280 mm di lunghezza.

La presenza delle piastre in acciaio ha consentito di aumentare il dominio resistente USL M-N della sezione composita (acciaio più calcestruzzo) e incrementare la resistenza al taglio, principalmente riconducibile alle piastre in acciaio. 

Conclusioni

Sono state illustrate alcune opzioni per il rinforzo strutturale dei rivestimenti di gallerie, definendo il contesto di applicazione e i requisiti tecnici.

È importante focalizzare l’attenzione sul fatto che, al fine di scegliere l’intervento più idoneo, è necessario un rilievo e un’indagine di dettaglio della situazione esistente, in grado di valutare le caratteristiche dei quadri fessurativi e dei danneggiamenti presenti e di individuarne le cause.

Una volta che l’intervento è stato eseguito, è necessario predisporre un programma di monitoraggio in grado di controllare il comportamento della nuova struttura e sottoporla a un attento “programma di manutenzione”, come ormai richiesto dai più recenti orientamenti normativi.

  • Ripristino
    16A rock
    9A. L’applicazione di tessuto in acciaio UHTTS Steel Net 200
  • Indagini
    16B rock
    9B. L’applicazione di tessuto in acciaio UHTTS Steel Net 200

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