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Strutture sotterranee complesse in contesti densamente urbanizzati

L'ausilio della modellazione numerica tridimensionale per la progettazione delle metropolitane di Istanbul (Turchia) e di San Paolo (Brasile)

Strutture sotterranee complesse in contesti densamente urbanizzati

Il crescente interesse per l’utilizzo dello spazio sotterraneo e lo sviluppo di tecnologie di scavo sempre più competitive e di metodologie di analisi sempre più precise consentono oggi la progettazione di strutture di elevata complessità e dimensione, in contesti anche densamente urbanizzati.

Immagini

  • Un esempio di intersezione tra sezioni tipo A2.2 e B1 della stazione di Bostanci: il getto del calcestruzzo
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    Un esempio di intersezione tra sezioni tipo A2.2 e B1 della stazione di Bostanci: il getto del calcestruzzo
  • Il modello numerico tridimensionale della stazione Campo Belo, a San Paolo
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    Il modello numerico tridimensionale della stazione Campo Belo, a San Paolo
  • La vista assonometrica della complessità geometrica della stazione di Bostanci
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    La vista assonometrica della complessità geometrica della stazione di Bostanci
  • Il modello tridimensionale dell'intersezione tra vano scale e primo livello della stazione di Acibadem, ad Istanbul
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    Il modello tridimensionale dell'intersezione tra vano scale e primo livello della stazione di Acibadem, ad Istanbul
  • Un esempio di intersezione tra sezioni tipo A2.2 e B1 della stazione di Bostanci: il modello numerico
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    Un esempio di intersezione tra sezioni tipo A2.2 e B1 della stazione di Bostanci: il modello numerico
  • Il modello numerico in Straus7 delle strutture definitive della Stazione Campo Belo a San Paolo
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    Il modello numerico in Straus7 delle strutture definitive della Stazione Campo Belo a San Paolo

È il caso di due fra le metropoli più popolose del pianeta: Istanbul e San Paolo.

In queste due città, la Geodata ha sviluppato rispettivamente la progettazione esecutiva della linea Kadikoy-Kartal e della Linea 5. In entrambe, l’estrema complessità geometrica delle opere, l’articolazione delle sequenze esecutive e l’importanza di attribuire corrette proprietà meccaniche ai vari elementi hanno richiesto elaborate modellazioni numeriche tridimensionali. L’impiego di vari software, in grado di utilizzare solutori alle differenze finite o agli elementi finiti, è stato legato alla necessità di valutare caso per caso l’effetto dell’interazione terreno-struttura sul mezzo circostante e sull’opera stessa.

I risultati ottenuti, confrontati con le limitate esperienze simili presenti in letteratura, hanno consentito di stimare in modo adeguato l’effetto delle varie combinazioni di carico sui singoli elementi e di dimensionarli e ottimizzarli coerentemente con le richieste di sicurezza e salvaguardia della funzionalità prescritte dalle Normative vigenti.

La modellazione numerica delle intersezioni sotterranee nella Stazione Bostanci di Instanbul

Diverse stazioni di linea della tratta Kadikoy-Kartal della Hafif Metro sono costituite da una serie di tunnel di differenti sezioni tipo adottate a seconda della loro specifica funzione (gallerie di banchina, collegamenti trasversali, scale o ascensori). Queste strutture sotterranee vanno a formare un reticolo tridimensionale di pozzi e gallerie su vari livelli, che ha nei suoi nodi le aree caratterizzate dalla maggiore complessità di analisi.

Al fine di un corretto dimensionamento dei sostegni temporanei di tali porzioni, sono state sviluppate modellazioni numeriche tridimensionali alle differenze finite con il codice di calcolo Flac 3D. Come evidenziato nelle Figure 6A e 6B, la possibilità di riprodurre l’intero mezzo geotecnico, in cui le strutture sono immerse ha permesso una precisa valutazione non solo delle sollecitazioni indotte sul rivestimento temporaneo al fine di un suo corretto dimensionamento, ma anche di studiare l’effetto del detensionamento indotto dagli scavi nel terreno, in modo da comprenderne l’effetto sulla superficie e sulle strutture pre-esistenti.

Il calcolo delle strutture definitive in calcestruzzo armato si è avvalso di una modellazione agli elementi finiti in Straus7, prevedendo una completa perdita di capacità portante da parte dei rivestimenti temporanei.

L’effetto dell’interazione terreno-struttura è stato riprodotto in questa fase con l’adozione di molle di rigidezza equivalente applicate sulla superficie esterna degli elementi plate posti a simulare la struttura. In particolare, per riprodurre adeguatamente il comportamento del terreno circostante, l’opzione compression only è stata attivata, richiedendo conseguentemente un’analisi di tipo non-lineare, coerente con il modello costitutivo adottato negli studi per il dimensionamento dei supporti temporanei. Il valore della rigidezza assegnata a tali molle dipende non solo dalle proprietà geomeccaniche del mezzo circostante, ma anche dalle dimensioni geometriche della struttura sotterranea stessa, dalla sua disposizione rispetto agli assi delle tensioni principali, dal tipo di impermeabilizzazione adottato (condizioni slip e non slip) e dalla storia di carico/scarico attesa per ogni sua singola porzione.

Lo studio delle combinazioni di carico, che hanno incluso anche eventuali sovraccarichi permanenti o accidentali e il peso proprio della struttura, hanno evidenziato i valori di tensione all’interno dei rivestimenti e consentito un’opportuna integrazione in grado di restituire i valori di forze assiali e taglianti ed i momenti flettenti da porre a verifica in accordo con l’EN 1992 e successive modifiche (Eurocodice 2) secondo i fattori previsti per gli Stati Limite sia Ultimi sia di Esercizio.

Le analisi tridimensionali per la stazione Campo Belo ed il pozzo Roque Petrella di San Paolo

La Stazione di Campo Belo è situata tra la Avenida Santo Amaro, l’Avenida Jornalista Roberto Marinho e la Rua Edson a San Paolo. Le dimensioni in pianta della stazione sono di circa 140 m di lunghezza e 35 m di larghezza.

La struttura della stazione non ha forma rettangolare, ma è creata dall’intersezione di cinque pozzi con un raggio esterno di 17,10 m. Tale complessità geometrica, insieme alla variabilità in pianta dello spessore delle pareti del rivestimento secondario nei differenti pozzi, ha necessariamente richiesto una modellazione tridimensionale ed una accurata analisi agli elementi finiti del comportamento delle strutture definitive sotto le varie combinazioni di carico. La modellazione numerica ha previsto l’inserimento anche di puntoni trasversali, posizionati nelle intersezioni tra i pozzi, con diverse funzioni, differenti in base alla fase di costruzione considerata.

La complessità della modellazione risiede anche nell’articolazione delle sequenze costruttive che sono state riprodotte per il rivestimento e per la soletta di fondo della stazione: nelle fasi transitorie di scavo e costruzione dei pozzi, i puntoni sono soggetti al solo peso proprio e allo sforzo normale indotto dalla spinta idrostatica e dalla spinta del terreno, mentre, nella fase finale, essi sono gravati anche dalle forze verticali trasmesse dalle solette delle strutture interne appoggiate su di essi.

Vicino alla Stazione Campo Belo si trova il Pozzo Roque Petrella, caratterizzato da un’altezza totale di 45,61 m ed una profondità interrata di 36,71 m.