Pericolo esplosione interna: la progettazione di gallerie tradizionali o con conci in calcestruzzo

La memoria presenta un’analisi progettuale relativa al comportamento dei tunnel in caso di esplosione interna. Vengono confrontate due soluzioni: una galleria tradizionale e una galleria a conci prefabbricati realizzata in calcestruzzo fibrorinforzato (FRC). Le due differenti soluzioni sono confrontate adottando due approcci progettuali. Il primo utilizza analisi numeriche elastiche lineari insieme ai diagrammi di interazione Momento – Azione assiale; la seconda prevede l’utilizzo di analisi ad elementi finiti non lineari che considerano le non-linearità dei materiali. I risultati sono discussi in termini di diagrammi di interazione M-N, aperura dei giunti nel caso di soluzione a conci e energia dissipata dalla struttura nel caso di analisi non lineare. La memoria discute inoltre gli effetti del rinforzo fibroso e della deformabilità dell’anello nella risposta in caso di esplosione. 


Tunnel design in case of internal explosion

La progettazione di gallerie in caso di esplosione interna

M. Colombo1, P. Martinelli 1, M. di Prisco 1, P. Bonalumi 2, C. Beltrami 2

1 Department of Civil and Environmental Engineering, Politecnico di Milano, Milan, Italy

2 Lombardi Ingegneria srl, Milan, Italy


1 INTRODUZIONE

I recenti attacchi terroristici hanno mostrato come le infrastrutture siano elementi sensibili per la sicurezza e come sia necessario una corretta progettazione strutturale che consideri anche i carichi eccezionali come l’incendio e l’esplosione.

In particolare la sicurezza delle gallerie risulta un punto fondamentale non solo nella salvaguardia delle persone a seguito dell’evento catastrofico, ma anche per limitare il rischio delle squadre di sicurezza che intervengono in emergenza e per ridurre il disagio e l’onere economico legato alla chiusura dell’infrastruttura a seguito dell’evento.

Differenti indagini hanno analizzato il comportamento strutturale delle gallerie in presenza di incendio (Bamonte et al. 2016, Maraveas 2014, Monckton 2018, Susetyo 2014), ma solo un numero limitato di ricercatori ha dedicato attenzione al comportamento di queste infrastrutture in caso di esplosione (Ma et al. 2009, Colombo et al. 2015).

Il presente documento mira a confrontare una soluzione strutturale a conci prefabbricati con una soluzione tradizionale gettata in opera nei confronti delle azioni causate dall’esplosione di un ordigno posizionato nel centro della galleria.

Il comportamento delle due soluzioni è stato analizzato sia con analisi elastiche lineari, sia con analisi non-lineari che considerano la presenza dell’armatura.

 

2 SOLUZIONI STRUTTURALI ANALIZZATE

2.1 Galleria tradizionale

La soluzione tradizionale gettata in opera considerata come riferimento è composta da un arco superiore caratterizzato da raggio interno pari a 4.68 m e spessore 90 cm e da un arco rovescio inferiore rettilineo con spessore pari a 80 cm (Fig. 1).

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Figure 1. Scheme of Tunnel cross-section of the traditional tunnel solution / Schema sezione trasversale della galleria tradizionale considerata.

 

La galleria è caratterizzata da una sezione costante lungo il suo sviluppo longitudinale.

L’armatura adottata è pari a 1+1Φ24/20 cm per l’arco e 1+1Φ26/10 cm per la base (arco rovescio).

Il diagramma di interazione M-N delle sezioni dell’arco e della base (arco rovescio) sono riportati in Fig. 2. È stato utilizzato un calcestruzzo tradizionale con una classe di resistenza a compressione pari a C28/35.

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Figure 2. Moment–axial force interaction diagram for the crosssection of the traditional solution / Diagramma di interazione Momento – Azione assiale per la soluzione tradizionale.

 

2.2 Soluzione a conci prefabbricati

La soluzione a conci prefabbricati è composta da 6 conci tipo, più un concio di chiave avente dimensioni ridotte. Lo schema generale della sezione tipo e della divisione in conci è riportato in Fig. 3 mentre la Fig. 4 mostra la denominazione utilizzata nel seguito per identificare i conci e i giunti.

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Figure 3. Tunnel cross-section for the segment solution / Sezione trasversale della galleria per la soluzione a conci.

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Figure 4. Segment name definition / Nomenclatura utilizzata per la soluzione a conci.

 

L’armatura prevista per il concio prefabbricato è costituita da due cordoli laterali armati ciascuno con armatura 3+3 Φ 10. Lo schema dell’armatura è riportato in Fig.5.

I conci prefabbricati sono realizzati con un calcestruzzo di classe C50/60 con l’aggiunta di fibre metalliche al fine di ottenere un comportamento a trazione di classe 4c in accordo alla classificazione proposta dal Model Code 2010 (MC2010).

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Figure 5. Reinforcement of the precast segment element / Armatura del concio di tunnel prefabbricato.

 

La Fig. 6 riporta il diagramma di interazione M-N del concio.

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Figure 6. Moment–axial force interaction diagram for the crosssection of the segment solution / Diagramma di interazione Momento–Azione assiale per la soluzione a conci.

 

Le figure 7 e 8 confrontano in assenza o in presenza di fibre le capacità resistenti sul diagramma momento curvatura per la sezione di riferimento. Le due figure si riferiscono a due differenti condizioni di azione assiale utilizzate come esempio (N = 0 kN - Fig. 7 e N = 2100 kN - Fig. 8).

I diagrammi presentati nelle figure 6-8 sono stati calcolati utilizzando un approccio a sezioni piane, con un legame costitutivo parabola – rettangolo per il calcestruzzo in compressione, un legame elasto-plastico indefinito per l’acciaio dell’armatura e un modello sforzo apertura di fessura lineare per il comportamento in trazione del calcestruzzo fibrorinforzato.

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Figure 7. Moment – curvature diagram (N = 0 kN) of the segment cross-section with or without fibre / Diagramma momento curvatura della sezione del concio (N = 0 kN) in assenza o in presenza di fibre.

 

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Figure 8. Moment – curvature diagram (N = 2100 kN) of the segment cross-section with or without fibre / Diagramma momento curvatura della sezione del concio (N = 2100 kN) in assenza o in presenza di fibre.

 

Per quanto concerne la lunghezza caratteristica utilizzata in trazione, si è adottato il valore minimo tra la distanza media tra le fessure (srm calcolata come 1.5 ls,max, essendo ls,max la lunghezza di ancoraggio definita al punto 7.7.4.2 del MC2010) e l’altezza della sezione; nel caso in esame tale lunghezza caratteristica è risultata pari all’altezza della sezione stessa (h = 320 mm).

Si osserva inoltre che poiché si tratta di una condizione di carico eccezionale, i coefficienti di sicurezza dei materiali sono stati posti uguali a 1 come suggerito dal MC2010.

 


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3 DEFINIZIONE DEI CARICHI STATICI E DINAMICI

Al modello agli Elementi Finiti sono state applicate due tipologie di carichi in due passi successivi. Inizialmente al modello sono applicati i carichi statici dovuti alla gravità e alla pressione del terreno (descritto nella sezione 3.1).

Successivamente vengono applicati i carichi dinamici associati ad un’esplosione interna descritti nella sezione 3.2. Durante l’applicazione dei carichi dinamici ovviamente i carichi statici non vengono rimossi.

3.1 Terreno

Le condizioni del terreno ipotizzate sono le seguenti: angolo d’attrito Φ = 40°, modulo elastico Esoil = 5000 MPa, densità ρ = 20 kN/m3 e coesione c = 0. La condizione di carico dovuta al suolo è simulata da una pressione radiale secondo quanto suggerito da Blom (2002).

...

L'ARTICOLO COMPLETO E' DISPONIBILE IN ALLEGATO


KEYWORDS: fibre-reinforced concrete; internal blast; tunnel / calcestruzzo fibro-rinforzato; esplosione interna; galleria.


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