Utilizzare il calcestruzzo fibrorinforzato per le opere strutturali in galleria

La tecnologia del calcestruzzo rinforzato con fibre per lavori in sotterraneo è nota e diffusa in tutto il mondo

I pregi sono conosciuti dalla maggior parte degli attori che operano nel mondo delle costruzioni in sotterraneo, siano essi progettisti, general contractors, imprese specializzate o produttori di calcestruzzo preconfezionato.

I sistemi di dosaggio automatizzato consentono agli impianti di calcestruzzo preconfezionato di gestire le fibre, soprattutto quelle metalliche, come un componente aggiuntivo, permettendo al progettista di computare esattamente l’apporto delle fibre, alla direzione lavori di controllarne l’effettivo impiego, all’impresa di tenerne sotto controllo i costi ed ai produttori di calcestruzzo di progettarne scientificamente le miscele.

Nel nostro paese il rivestimento di prima fase con SFRS (Steel Fibre Reinforced Shotcrete) è molto diffuso ed è previsto da tutti i capitolati approvati dagli enti pubblici; l’utilizzo ed il controllo è trattato dalle norme europee, le quali prescrivono l’effettuazione di tests presso laboratori ufficiali che ne possano certificare l’efficacia, come enti terzi.

L’utilizzo del SFRC (Steel Fibre Reinforced Concrete) permette alle imprese una maggiore sicurezza, velocità ed efficacia nel consolidamento degli scavi in quanto non si rende necessario l’installazione di reti in calotta e sulle reni delle gallerie, operazione rischiosa visto che lo scavo non è ancora consolidato, ed inoltre il composito viene applicato direttamente sul terreno senza rischiare eventuali vuoti dovuti alle reti.

Le fibre in acciaio consentono inoltre un facile controllo del dosaggio sul calcestruzzo fresco, in cantiere, con test di semplice esecuzione.

Nelle opere pubbliche le varie miscele di calcestruzzo vengono sempre qualificate; rimane altresì estremamente facile qualificare un impianto di prefabbricazione ed anche ottenere il famoso CVT.

Per quanto riguarda la durabilità del calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio, in caso di attacco chimico la geometria ed il diametro ridotto delle fibre fanno sì che la corrosione prodotta non eserciti tensioni sufficienti per fessurare il calcestruzzo a differenza dell’armatura tradizionale in tondini di acciaio; la capacità di carico del SFRC rimane così invariata anche dopo che un’eventuale ossidazione abbia avuto inizio.

I produttori, con i loro uffici tecnici e con la loro esperienza internazionale, sono a disposizione dei designers e delle imprese per fornire indicazioni sulle caratteristiche prestazionali del SFRC da utilizzare in ambito progettuale; essi possono mettere a disposizione la loro esperienza su tests effettuati su conci in scala reale.

La sfida che oggi si presenta nel mondo Underground in Italia è la progettazione e l’utilizzo del SFRC per strutture definitive, siano esse calotte, conci o altri elementi prefabbricati.

 

Utilizzo del FRC nei conci prefabbricati

Il calcestruzzo fibro-rinforzato FRC (Fibre Reinforced Concrete) può consentire la riduzione o l’eliminazione del rinforzo tradizionale nella produzione dei conci prefabbricati.

La pubblicazione delle linee guida per la progettazione del FRC ha aiutato la diffusione di questa tecnologia, nel 2013 la Fib (International Federation for Structural Concrete) ha presentato il Model Code 2010 che include una specifica sezione sul FRC.

Come citato espressamente sul fib Model Code 2010, il calcolo strutturale di elementi in calcestruzzo fibrorinforzato si basa sulle resistenze residuali post-fessurative, secondo la prova di flessione su travetto UNI-EN 14651.

Lo stesso documento prescrive che debbano essere garantite prestazioni minime del FRC per una sostituzione, anche solo parziale, dell’armatura tradizionale.

Ne discende che queste prestazioni debbano sempre essere misurate, sia in fase preliminare, che durante l’esecuzione dell’opera.

Più di recente, il Fib bulletin 83 (2017) fornisce inoltre dettagliate raccomandazioni per progettisti, clienti e general contractor nella progettazione di conci prefabbricati rinforzati con fibre di acciaio.

L’utilizzo di SFRC nei conci prefabbricati porta diversi benefici:

  • Controllo della fessurazione durante le fasi di costruzione
  • Alta resistenza all’impatto
  • Vantaggi nella durabilità
  • Riduzione dei costi
  • Velocizzazione del processo di produzione

Le linee guida esistenti, in particolare il Fib bulletin 83, basato sul model code 2010, forniscono agli ingegneri strutturali indicazioni su come quantificare le proprietà di rinforzo delle fibre d’acciaio basandosi sulla misurazione della resistenza a trazione del SFRC in fase post fessurativa.

 

Processo di Progettazione

I valori si possono determinare attraverso la prova di flessione su travetto, normata nella EN 14651.

Utilizzare il calcestruzzo fibrorinforzato per le opere strutturali in galleria

Figura 1

Per ottenere risultati statisticamente reali sono raccomandati almeno n. 6 travetti. 

 prova a trazione su travetto in calcestruzzo fibrorinforzato

Figura 2

 

Classificazione FRC con Linee Guida e Model Code

Le proprietà del FRC indurito si determinano tramite test su provini normalizzati (EN 14651), test a flessione su travetto intagliato, vedi fig. 2.

La tipica curva sperimentale che si ottiene è qui sotto indicata 

Classificazione FRC con Linee Guida e Model Code Figura 3 

 

Per classificare il comportamento post-fessurativo di un FRC sono presi in esame due parametri: la resistenza nominale per fr1k ed il rapporto fr3k/fr1k che consentono di definire la tenacità.

La resistenza  nominare fR1K è definita dal numero apparente alla seguente successione, immediatamente inferiore al valore di fR1K determinato sperimentalmente.

1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 8.0, 10.0, 12.0, 14.0 [MPa]

 

Il rapporto fR3K/fR1K  viene invece indicato con una delle lettere a, b, c, d, e ciascuna delle quali indica un intervallo di valori, come specificato nel seguito.

a per 0.5 ≤  fR3K/fR1K  < 0.7

b per 0.7 ≤  fR3K/fR1K  < 0.9

c per 0.9 ≤  fR3K/fR1K  < 1.1

d per 1.1 ≤  fR3K/fR1K  < 1.3

e per 1.3 ≤  fR3K/fR1K 

 

 

Pertanto la classe di tenacità di un FRC viene definita da un numero e da una lettera.

Per impieghi strutturali, le prestazioni di un FRC devono essere prescritte dal progettista e verificate dalla Direzione Lavori.

Lo stesso test che classifica l’FRC consente anche il controllo in corso d’opera.

Negli ultimi anni è nata una nuova generazione di elementi prefabbricati; la resistenza a compressione del cls per conci prefabbricati è passata da C40 a C60 ed anche C70, la resistenza a trazione delle fibre è dovuta crescere parallelamente alla forza dell’ancoraggio costituito dal composito, di solito viene raccomandata una resistenza a trazione delle fibre di almeno 1800Mpa. 

 

Sostenibilità

La Sostenibilità di una opera non si valuta solamente con l’impatto ambientale che essa ha ma anche attraverso una riduzione di consumo energetico e di emissioni di CO2 nella realizzazione della stessa.

E’ stato dimostrato che l’utilizzo delle fibre per sostituire tutta o una parte del rinforzo convenzionale abbassa l’emissione di CO2 per la produzione dei conci prefabbricati.

Un documento di Carola Edvardsen (COWI Denmark) intitolato “The consultant’s view on service life design” fornisce un esempio di riduzione di CO2 fornita dal calcestruzzo ed ulteriori riduzioni nel caso in cui si riesca a sostituire l’armatura tradizionale con fibre d’acciaio in un dosaggio in grado di soddisfare i requisiti di progetto.

CO2 Emissions for different types of cement and steel reinforcement (COWI Denmark)

CO2 Emissions for different types of cement and steel reinforcement (COWI Denmark)

 

Sempre nella ottica di un miglioramento della sostenibilità dell’opera nella tabella sotto si può apprezzare come l’utilizzo di fibre in acciaio consente anche una riduzione dell’energia consumata per la produzione di un metro cubo di calcestruzzo.

utilizzare-il-calcestruzzo-fibro-rinforzato-per-le-opere-strutturali-in-galleria-t01.jpg

Referenze

Come opere referenziali possiamo citare:

Rivestimento definitivo

  • S.R. 50 del Grappa e Passo Rolle – Variante delle Moline

  • MACROLOTTO 2 Autostrada A3 SA/RC Galleria Scargilelle

  • SS 203 Agordina – Galleria di Listolade

  • Riva Tunnel – Cengiz Tunnel – Turkey 

 

utilizzare il calcestruzzo fibrorinforzato

spritz beton per gallerie

galleria stradale in costruzione

 

Conci Prefabbricati

  • Metro C -  Roma

  • Prolungamento Rete Ferroviaria Metropolitana di Catania – Stazione centrale/Aeroporto – Tratta Stesicoro-Aeroporto I Lotto.

  • Grand Paris Express, Linea 16-1 – Parigi

 conci prefabbricati in calcestruzzo fibrorinforzato per gallerie di metropolitana

conci prefabbricati in calcestruzzo fibrorinforzato per gallerie di servizio 

Conclusioni

Utilizzare le fibre per il rinforzo dei calcestruzzi in galleria rappresenta la nuova sfida per migliorare la qualità delle costruzioni in sotterraneo, rendere i processi di produzione più economici e sicuri e migliorare la sostenibilità ambientale delle opere.

In altri paesi, sia in Europa che in altri continenti, vengono comunemente utilizzate le fibre sia per il rinforzo dei conci prefabbricati che nei rivestimenti definitivi.

Esistono già metodi sicuri per progettare, realizzare e controllare queste opere, Linee Guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, Model Code.

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