Materiali cementizi ad alte prestazioni per mitigare il rischio di azioni eccezionali nei tunnel

05/06/2015 4369

Marco di Prisco1, Carlo Beltrami2, Pamela Bonalumi1, Ezio Cadoni3, Alessio Caverzan1, Matteo Colombo1, Liberato Ferrara1 e Paolo Martinelli1

1 Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Politecnico di Milano
2 Lombardi SA Consulting Engineers, Minusio-Locarno, Svizzera
3 SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana


Memoria tratta dagli atti delle GIORNATE AICAP 2014, Bergamo 22-24 maggio 2014

L’articolo presenta alcuni aspetti progettuali finalizzati alla costruzione di conci di tunnel prefabbricati multi-strato in grado di assicurare adeguate prestazioni strutturali in caso di azioni eccezionali come incendio e scoppio. I tunnel considerati si collocano in ambito urbano e il suolo considerato è un terreno granulare. Particolare enfasi è rivolta alla metodologia progettuale ed ai vantaggi che derivano dall’utilizzo di materiali fibro-rinforzati ad alte prestazioni come HPFRCC (High Performance FibersReinforcedCementitiousComposites), SFRC (Steel Fibre Reinforced Concrete) e TRC (Textiles). Il lavoro evidenzia come la scelta di utilizzare materiali fibro-rinforzati ad alte prestazioni non solo migliora la risposta strutturale con riferimento alle azioni eccezionali, ma ne migliora le prestazioni anche durante la fase di costruzione e di esercizio del tunnel: in ultima analisi viene aumentata la durabilità e la sostenibilità della struttura. Il progetto e la costruzione di conci di tunnel prefabbricati rappresentano il risultato finale di un progetto INTERREG chiamato ACCIDENT sviluppato nell’arco di un quadriennio (Advanced CementitiousComposites in DEsign and coNstruction of safe Tunnel) su tre diversi livelli: quello del materiale che ha fatto uso di prove statiche e dinamiche ad alta velocità in presenza anche di alte temperature, quello meso-strutturale che si è avvalso di una recente apparecchiatura costruita presso il Polo di Lecco (shocktube) e quello macro-strutturale sviluppato su una tubazione di 25 m presso il centro di addestramento dei VVFF di Bovisio Masciago coordinato da Regione Lombardia. I risultati ottenuti mettono in evidenza i vantaggi e i limiti di validità dell’approccio progettuale proposto.

Introduzione
La tecnica TBM che prevede l’uso di conci prefabbricati per il rivestimento di gallerie può ulteriormente progredire mediante lo sviluppo e l'applicazione di tecnologie avanzate sia nelle modalità di scavo meccanizzato,sianella realizzazione delmanto di finitura, che risulta di particolare importanza nelle gallerie in terreni soffici. La progettazione e la costruzione di un concio di tunnel prototipale prefabbricatorappresenta il prodotto finale di un progetto Interregionale denominato ACCIDENT (Advanced CementitiousComposites in DEsign and coNstruction of safe Tunnel).
La progettazione di sistemi di protezione volti ad aumentare la resistenza strutturale dei rivestimenti di gallerie al fuoco e allo scoppio ha portato all'introduzione di schermi speciali realizzati con materiali ad alte prestazioni per ridurre il danno termico nella struttura e assorbire le onde d'urto generate da esplosioni interne. Il progetto è stato focalizzato sulla progettazione ottimale di un concio di tunnel prefabbricato multistrato in grado di migliorare le prestazioni in caso di esposizione alle alte temperature per un incendio ed all’esplosione interna dovuta ad un incidente o ad un attacco terroristico. La ricerca si è finalizzata ad ottenere le risposte a molti dubbi legati all'adozione di tale struttura multistrato.
Il primo passo è stato quellodidefinire lo scenario di rischio e di conseguenza gli obiettivi correlati ai carichi eccezionali considerati. Da indagini precedenti sulle misure di temperatura all'interno di un vero e proprio tunnel [1], è statopossibile introdurre come target progettuale per l’esposizione al fuoco una temperatura di intradosso di 600 °C per due ore. È importante sottolineare che un incendio 30 MW produce una temperatura massima di 300 ° C sulla superficie di intradosso e quindi il target considerato corrisponde ad un incendio molto severo.

L'analisi dei più recenti attacchi terroristici ai tunnel metropolitani di Mosca (2010) e di Londra (2005) ha suggerito considerareuna carica equivalente energeticamentea 25 kg di TNT al centro del tunnel della metropolitana, riproducendo il caso di unozaino portato da un kamikaze. Le prestazioni richieste al rivestimento della galleria prefabbricata progettata sono quelle corrispondenti al livello V per il fuoco e alla categoria III per esplosione secondo il vigente D.M. 2008. La prima corrisponde alla capacità di mantenere la piena funzionalità al termine di un incendio sviluppato in galleria; la seconda considera un effetto generalizzato sull’intera struttura.
Per selezionare la soluzione ottimale sono stati analizzate diverse soluzioni. La scelta finale prevede un elemento a due strati, con un rivestimento di intradosso e un telaio in HPFRCC [2,3], e un nucleo in SFRC (Steel Fibre Reinforced Concrete; Fig.1) parzialmente rinforzato con due gabbie di armatura convenzionale, introdotte principalmente per incrementare la sicurezza in fase di scassero e per resistere alle azionidi spinta durante lo scavo. Una rete Alcali Resistente è stata interposta all'interfaccia tra i due strati in HPFRC ed SFRC per migliorare la distribuzione delle fessure dai fenomeni di ritiro relativo e a causa del danno termico in caso di incendio [4,5]. I controlli allo Stato Limite di Esercizio sono stati effettuati secondo il Codice Modello 2010 [6] considerando il contributo reale offerto dalle fibre nelle zone diffusive [7].

Sulla base di queste ipotesi sono stati prodotti otto conciin scala reale in uno stabilimento svizzero (TGM Prefabbricati) utilizzando un cassero progettato per il tunnel della metropolitana MetroCdi Roma, dopo aver prodotto un controcasseroin vetroresinaopportunamente progettato e prodotto da una fabbrica italiana di compositi (Makoshark; Fig.1b). Si è prestata una particolare attenzione alla tecnica di gettodel materiale HPFRC: le frecce indicate in Fig.1c rappresentano le direzioni di flusso durante il getto.L'intero processo di progettazione e di produzione ha evidenziato alcuni problemi critici che sono stati accuratamente studiati. L’articolo ha il solo scopo di far conoscere brevemente i principali risultati ottenuti nel tentativo di rispondere a tre principali questioni ancora aperte inerenti la soluzione in esame. La progettazione di una struttura multistrato fa sorgere il primo dubbio legato a verificare la possibilità di unadelaminazionetra i due strati quando il concio è esposto ad un’onda d'urto. Questo possibile effetto potrebbe rendere necessaria l’introduzionedi un certo numero di tasselli idonei rendendo menoattraente la soluzione proposta. Una seconda questione fondamentale riguarda la possibilità di disaccoppiare il calcolo della distribuzione delle pressioniagenti sulla superficie di intradosso dovuta allo scoppio, dall’analisi non lineare del comportamento meccanico prodotto dalle pressioni interne in tubi in grandezza reale interrati in terreno soffice. Infine, considerando la temperatura massima di target, è interessante sapere se, considerandole resistenze a flessione residue ottenute in [3] quando l’intradosso è espostoalle alte temperaturedurante e dopo un incendio, il tunnel risulta in grado di soddisfare le verifiche di sicurezza alla Stato Limite Ultimo. I paragrafi che seguono mirano a dare una risposta ai dubbi esposti.

Figura 1. (a) Stratigrafia del rivestimento della galleria. Produzione del concio: (b) contro-cassero in fibra di vetro; (c) direzioni del conglomerato in fase di getto; (d) scassero.