I conci in calcestruzzo armato per il rivestimento delle gallerie scavate con il sistema meccanizzato formano, nel loro perimetro di contatto, giunti che devono essere sigillati per resistere alla massima pressione idraulica esercitata esternamente al tunnel o, eventualmente nel caso di tunnel idraulici, quella interna o entrambi contemporaneamente.
Lo sviluppo tecnologico delle guarnizioni di sigillatura dei conci
L’obiettivo dei conci in calcestruzzo armato è normalmente raggiunto con l’impiego di guarnizioni elastomeriche che vengono collocate nel perimetro del concio, alloggiandole in apposite sedi nello stesso preformate chiamate “cave”.
Nell’installazione di anelli di conci in successione, per motivi tecnici, si cerca sempre di evitare il formarsi di giunti a croce preferendo giunti a T.
Gli aspetti tecnici relativi alla geometria del profilo
La dimensione, la geometria e la struttura della guarnizione sono caratteristiche fondamentali per garantire la prestazione di tenuta idraulica.
La larghezza della guarnizionemisurata sul fondo della cava è contenuta normalmente tra 20 e 50 mm e la sua altezza è 1:2 della larghezza. Una altezza minore è preferibile perché riduce l’instabilità della guarnizione e ne evita il ribaltamento, con conseguenti perdite, durante il montaggio, specialmente della chiave. La larghezza della guarnizione misurata sulla parte superiore deve assicurare la massima superficie di contatto possibile, almeno 5 o 10 mm, con il massimo disallineamento ammissibile dei conci.
La forma della guarnizione è realizzata in modo di assicurare il suo contatto con i fianchi della cava; solo così può assorbire le forze della pressione idraulica che agiscono lateralmente garantendo la tenuta.
Gli aspetti tecnici relativi alla geometria della guarnizione
Le guarnizioni sono realizzate con dimensioni adeguate alla geometria dei conci ai quali devono essere accoppiate. Le superfici contigue radiali e longitudinali possono essere poste su angoli sghembi, in particolare quelle del concio di chiave e le corrispondenti dei conci di controchiave. Tale configurazione serve per favorire l’inserimento del concio di chiave dall’intradosso tra le superfici delle controchiavi, anche con una iniziale traslazione.
Le guarnizioni hanno una intrinseca instabilità durante le fasi di montaggio del concio, che si manifesta in tutta la sua dimensione longitudinale ed in particolare nelle zone d’angolo.
La possibilità di realizzare guarnizioni relativamente basse assicura una maggiore stabilità e riduce il rischio di ribaltamento durante il montaggio, minimizzando le infiltrazioni d’acqua. L’obiettivo di realizzare guarnizioni “basse” è oggi maggiormente raggiungibile per effetto del miglioramento delle tolleranze dimensionali e di forma dei conci, oggi paragonabili a quelle utilizzate nel settore meccanico.
Gli aspetti tecnici relativi alla geometria dell’angolo
Le geometrie dei conci si sono nel tempo evolute per favorire il loro montaggio in galleria e presentano forme assimilabili al trapezio isoscele ed al quadrilatero romboidale. Le guarnizioni sono realizzate con spezzoni di profilo estruso assiemati fra di loro con la vulcanizzazione di angoli stampati.
La geometria, la dimensione e la forma degli stessi influiscono in modo rilevante sulla prestazione idraulica della guarnizione e possono essere causa di danneggiamento del concio per effetto di un’alta concentrazione di sforzi. È necessario quindi che gli angoli corrispondano a caratteristiche specifiche.
Gli aspetti tecnici relativi all’incollaggio
Per l’installazione della guarnizione devono essere utilizzati collanti adatti, conservati secondo le indicazioni del Produttore e impiegati secondo procedure ben definite.
I collanti non hanno la funzione di tenuta idraulica ma quella di mantenere in posizione la guarnizione durante il montaggio del concio in galleria. Per un buon incollaggio della guarnizione è fondamentale la presenza del collante sul fianco della cava.
È un’operazione apparentemente facile, ma l’esperienza dimostra che non è così. Per migliorare la stesa della colla è molto importante anche l’ergonomia del posto di lavoro. Le guarnizioni possono essere lasciate esposte agli eventi atmosferici nei piazzali già montate sui conci, se si utilizzano materie prima di primissima qualità; tuttavia possono insorgere problemi per la progressiva perdita delle caratteristiche adesive della colla.
L’operazione d’incollaggio è molto critica perché deve essere eseguita con la massima cura, diligenza e costanza dall’operatore. A volte, nella linea d’incollaggio, è utile l’ausilio di una pressa di mantenimento in posizione della guarnizione dopo l’incollaggio.
Gli aspetti relativi all’attrito tra le guarnizioni
Durante la fase di montaggio in galleria le guarnizioni longitudinali, dei conci adiacenti, entrano in contatto tra di loro e contemporaneamente traslano per completare l’inserimento dei perni di fissaggio o di centraggio dando luogo ad elevate forze che si scaricano sulla guarnizione stessa, provocando in alcuni casi la sua espulsione della cava spesso causa di perdite idrauliche che richiedono complesse e costose operazioni di sigillatura.
Gli aspetti tecnici relativi alle caratteristiche della gomma
Nel valutare il comportamento e le prestazioni della guarnizione è utile svolgere una riflessione sulla sua natura intrinseca. La gomma è un insieme di polimeri e di cariche minerali. Mentre i polimeri hanno un comportamento elastico quasi perfetto, le cariche minerali sono prive di qualsiasi elasticità.
Per meglio comprendere il comportamento elastico della gomma in tensione ed in compressione, è interessante valutare il comportamento di un cilindretto di gomma, per esempio di 10 mm di altezza. È del tutto intuibile che il cilindretto non potrà mai essere compresso fino al 100% della sua altezza perché questo comporterebbe il suo totale spappolamento e l’espulsione dal suo stesso volume. La capacità della gomma di essere deformata, di norma, permette di comprimere il cilindretto fino ad una altezza di 6 mm e quindi ridurre del 40% massimo la sua dimensione iniziale.
La deformazione per trazione, sviluppandosi su escursioni più ampie, offre due risultati molto positivi:
- avere una maggiore stabilità di reazione del profilo ed un minore rischio di portarlo nella sua soglia di stress massimo ammissibile;
- avere una maggiore capacità di mantenere nel tempo le sue prestazioni.
Per questa ragione, nel corso del tempo, la forma delle guarnizioni di tenuta idraulica via via ha subito modifiche concettuali. Si è passati da forme che prevedevano una deformabilità in sola compressione fino a forme che utilizzano in modo sempre maggiore anche l’allungamento.
Lo sviluppo delle forme e le geometrie della guarnizione
Le guarnizioni nel corso degli anni si sono fortemente ingegnerizzate rispetto alle prime forme elementari.
Vi è stata una continua ricerca di nuove soluzioni, di nuove geometrie, che hanno consentito di generare prodotti di alte prestazioni idrauliche, con un mantenimento nel tempo delle migliori caratteristiche fisiche del manufatto, di facile applicazione e che non provochino rotture o frantumazioni nel concio ed inoltre non richiedano organi di connessione con prestazioni molto alte.
La guarnizione della galleria Sparvo
Lo studio e l’analisi ha consentito di raccogliere le competenze ed il know how per affrontare sfide importanti come ad esempio la realizzazione di un prodotto con particolari caratteirsitiche di tenuta idraulica ed ai gas.
A Sparvo (variante di Valico), la galleria scavata con la TBM più grande al mondo, la progettazione ha previsto una guarnizione particolarmente prestazionale e di dimensioni considerevoli. Per raggiungere i limiti di capitolato è stata studiata una nuova guarnizione appartenente alla seconda generazione. Le prestazioni richieste sono: 20 bar a gap = 4 mm con offset 20.