Interazione incendio-esplosione nelle piastre in c.a.

L’utilizzo di tunnel sommersi galleggianti (SFTs) in calcestruzzo armato rappresenta una possibile soluzione per l’attraversamento di ampi e profondi fiordi ed è, di conseguenza, considerato per la realizzazione dell’autostrada E39 che si svilupperà lungo la costa occidentale della Norvegia.

La presente memoria, facendo riferimento proprio ai SFTs, considera lo specifico scenario accidentale di incendio seguito da un’esplosione interna.

Per analizzare il comportamento della struttura sotto l’azione combinata di incendio ed esplosione, è stato messo a punto un programma sperimentale su piastre circolari che utilizza un bruciatore a gas per simulare l’incendio ed un tubo d’urto per la simulazione del carico da esplosione. 


L'incendio da sempre è considerato come la principale minaccia nella progettazione di una galleria

I tunnel rappresentano una delle infrastrutture più critiche dell'intera rete di trasporti europea. La loro fragilità, quando esposti ad eventi eccezionali come incendi e/o esplosioni, può minacciare la robustezza complessiva del sistema, perché la chiusura di singoli tratti può portare al collasso completo dell'infra- struttura di trasporto. Da questo punto di vista, dovrebbe essere adottato un approccio di capacity design per minimizzare la probabilità di crisi dei punti critici.

Eventi disastrosi avvenuti nelle gallerie stradali europee, come quello del Traforo del Monte Bianco (1999), del Traforo del San Gottardo (2001), del Traforo dei Tauri (2002) e del Traforo del Frejus (2005), hanno aumentato l'attenzione nei confronti delle problematiche di sicurezza nelle gallerie e han- no sottolineato l'importanza di queste infrastrutture dal punto di vista umano, economico e culturale.

L’incendio è stato sempre considerato come la principale minaccia fisica nella progettazione di una galleria e una vasta gamma di attività di ricerca, inclusi test sperimentali, metodi di modellazione e approcci progettuali, è stata dedicata allo studio di questo problema (Beard & Carvel 2012; Kodur & Naser 2020; Lilliu & Meda 203; Felicetti 2013).

Tuttavia, al giorno d'oggi, l'incendio non può essere considerato come l'unica azione accidentale estrema: recenti attacchi terroristici hanno sollevato il dubbio che anche le infrastrutture come le gallerie possono essere considerate obiettivi critici, non solo per perdite significative di vite umane, ma anche per gli enormi costi complessivi per la società che i danni a questa infrastruttura possono indurre.

Nell'ultimo decennio, diversi ricercatori hanno iniziato a esaminare il comportamento dei tunnel (in particolare i tunnel della metropolitana) soggetti a esplosioni interne sviluppando modelli numerici sia semplificati che raffinati (Feldgun et al. 2008; Liu 2009; Colombo et al. 2015; Yu et al. 2016; Kristoffersen et al. 2019; Goel et al. 2020). Allo stato attuale non sono riportati in letteratura studi sperimentali sul tema delle gallerie sottoposte ad esplosioni interne.

 

Il tunnel galleggiante sommerso in Norvegia

La ricerca presentata in questo lavoro riguarda la progettazione preliminare del tunnel galleggiante sommerso, o “Ponte Archimede”, o Ponte Galleggiante Sommerso (SFT), proposto per l'attraversamento dei fiordi norvegesi.

Il progetto dell’autostrada E39 dell'Amministrazione norvegese mira a stabilire una rotta autostradale costiera, lunga circa 1100 km, tra Kristiansand e Trondheim senza collegamenti con i traghetti. Gli ampi e profondi fiordi lungo la costa norvegese richiedono la costruzione di nuove strutture di grandi dimensioni e il SFT rappresenta un'alternativa realistica (Minoretti et al. 2020).

Il tunnel sarà sospeso a circa 30 m sotto la superficie dell'acqua. La struttura comprenderà due tubi fissati a pontili galleggianti con uno battente di circa 250m. Questo progetto consente alle navi di navigare li- beramente sulla struttura, mentre i sottomarini possono attraversarla al di sotto.

Per quanto riguarda le SFTs, uno specifico scenario di incidente che è oggetto di indagine è l'azione combinata dell’incendio e della successiva esplosione interna, in quanto questa è una condizione progettuale di sicurezza cruciale per questa struttura. La tragica collisione di due camion sullo svincolo Casalecchio (vicino a Bologna,) dell'autostrada A14 avvenuta il 6 agosto 2018 può essere considerata un esempio di questo tipo di scenario: la collisione tra i camion carichi di materiali infiammabili (GPL e solventi chimici) ha innescato una catena di esplosioni che ha sventrato il cavalcavia, provocando due morti e 145 feriti.

Un recente studio condotto da Kristoffersen et al. (2019) ha analizzato la risposta di SFT con sezioni trasversali circolari e rettangolari, sottoposte a esplosione interna senza incendio utilizzando un approc- cio agli elementi finiti (FE).

Con riferimento alle strutture in calcestruzzo armato, in letteratura, è disponibile una ricerca limitata sugli effetti combinati dei carichi di incendio e di esplosione ed è per lo più limitata a studi numerici.

Spostando l'attenzione sulle gallerie, una procedura numerica semplificata è stata proposta da Colombo et al. (2016) per la valutazione della risposta di gallerie sotterranee soggette a incendio combinato ad esplosione interna.

Il lavoro qui presentato mira a definire un caso studio affidabile per la validazione degli approcci numerici che vengono utilizzati nella progettazione della galleria in condizioni di carico eccezionali. A tal fine, è stato messo a punto un programma sperimentale che è stato condotto presso il Politecnico di Milano in collaborazione con l'Università norvegese della Scienza e della Tecnologia (NTNU).

Per la sperimentazione è stato utilizzato un tubo d'urto e un'apparecchiatura con bruciatore a gas, in grado di applicare una sequenza di incendio ed esplosione (Colombo et al. 2011). Il lavoro presentato in questo studio fa parte di un programma di ricerca più ampio in cui sono stati eseguite prove statiche su piastre analoghe e prove di caratterizzazione del materiale (Arano et al. 2020).

La risposta strutturale di piastre circolari in c.a. caricate da un’onda d'urto è stata studiata in condizioni di residue, dopo essere state esposte ad una curva di incendio. L’incendio è stato simulato applicando una curva di incendio da idrocarburi che le linee guida ITA-AITES (2004) indicano come tipica della progettazione di gallerie.

Sono stati considerati due tempi di esposizione all’incendio (t= 60 e 120 min) oltre al caso di riferimento (t=0 min). Le suddette linee guida indicano t=120 min come tempo di esposizione all’incendio di riferimento nel caso di struttura principale di una galleria destinata al traffico di tipo camion/cisterna.

 

Il programma sperimentale

In questo lavoro, sette piastre circolari in calcestruzzo armato sono state sottoposte all’azione combinata di incendio ed esplosione. In particolare di queste 7, 5 sono state sottoposte all’azione combinata di onde d'urto e incendio mentre due campioni sono stati provati solo in condizioni di esplosione. In tutte le prove, l'esposizione al fuoco (se applicata) ha sempre preceduto il carico di esplosione.

Le dimensioni del campione sono descritte in dettaglio nella Figura 1.

 

TABELLA 1 :Ricetta del calcestruzzo utilizzato.

Ricetta del calcestruzzo

FIGURA 1: Geometria e strumentazione dei campioni.

 

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FIGURA 2: Dettaglio della strumentazione e dello schema di vincolo.

 

Una discussione dettagliata e completa delle proprietà meccaniche del calcestruzzo utilizzato per le lastre in c.a. è fornita in Arano et al. (2020). Le proprietà meccaniche del calcestruzzo sono state valutate ad alte temperature e a temperatura ambiente. La ricetta della miscela di calcestruzzo di classe C45/55 è dettagliata nella Tabella 1. La resistenza a compressione del calcestruzzo (fc) misurata sui cilindri (D = 100 mm e H = 200 mm) era pari a 73 MPa. La densità a 28 giorni è pari a 2370 kg / m3.

Per realizzare le piastre circolari in c.a. sono state utilizzate due reti di maglia 60 mm e diametro 6 mm di acciaio di armatura B450. Otto barre d'armatura in acciaio sono state provate in trazione uniassiale e la resistenza allo snervamento media per l'armatura in acciaio a temperatura ambiente è stata pari a fy, 20 = 500,85 MPa.

La resistenza ultima media e la deformazione ultima a temperatura ambiente sono rispettivamente ft, 20 = 648,77 MPa e εsu, 20 = 0,328. Le proprietà meccaniche ad alte temperature sono state provate solo dopo ciclo termico e la resistenza di snervamento e la resistenza ultima dopo l'esposizione a 600° C si sono dimostrate molto simili a quelle dei campioni non riscaldati.

Le prove di esplosione sono state effettuate presso il Politecnico di Milano adottando un tubo d’urto a doppio diaframma (Colombo et al 2011). La Figura

2 mostra una disposizione schematica del tubo d’urto nella configurazione assemblata. L'area di prova in cui è fissato il provino è posta all'estremità del tubo e prevede un’area caricata dall’onda d’urto caratterizzata da diametro interno pari a 481 mm. In tali prove il provino era vincolato secondo uno schema di semplice appoggio bilatero con diametro della circonferenza di appoggio pari a 550 mm.

Le prove sperimentali differiscono in termini di storia della pressione riflessa applicata ai provini e di tempo di esposizione alla curva di incendio even- tualmente applicata prima dell'esplosione. Tre prove, di seguito indicate come prove a bassa pressione (LP), sono caratterizzate da una velocità dell’onda d’urto di 1.5 Mach, da una pressione di picco media di 370 kPa e da un impulso specifico medio di 3386 kPa × ms.

Gli altri quattro test, di seguito indicati come prove ad alta pressione (HP), sono stati caratterizzati da un onda d’urto con velocità di 2 Mach, una pressione di picco media di 1111 kPa e da un impulso specifico medio di 6241 kPa × ms.

L’incendio è stato simulato applicando una curva di incendio da idrocarburi considerando due tempi di esposizione all’incendio (t=60 e 120 min) oltre al caso di riferimento (t=0 min).

 

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La presente memoria è tratta da Italian Concrete Days - Aprile 2021

organizzati da aicap e CTE

 

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