Generalità, principali patologie e modelli di calcolo di gallerie soggette a degrado per corrosione

Con parere del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici n. 29/2022 sono state emanate in data 08.04.2022 le LINEE GUIDA PER LA CLASSIFICAZIONE E GESTIONE DEL RISCHIO, LA VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA ED IL MONITORAGGIO DELLE GALLERIE ESISTENTI. In particolare, in maniera parallela alle “Linee guida per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza ed il monitoraggio dei ponti esistenti”, si definiscono tramite approccio multilivello, le classi di attenzione sulla quali nei casi previsti dalla metodologia stessa, si effettuerà la valutazione della sicurezza sul comportamento locale o globale dell’opera a cui dovrà seguire la programmazione degli interventi e dei piani di sorveglianza e monitoraggio se necessari.

Nel presente articolo, diviso in due parti, viene analizzata la capacità portante di una galleria in funzione del degrado localizzato (corrosione delle barre di armatura e fessurazione del calcestruzzo) promosso dalla CO₂ presente nei gas di scarico del traffico veicolare.

Valutazione della vita residua di gallerie esistenti soggette a degrado per corrosione
Dall'analisi della capacità portante di una galleria esistente in condizioni di degrado per corrosione a causa delle emissioni di CO₂ si determinano vari aspetti, che permetteranno di stimare la vita residua dell'infrastruttura e programmare eventuali interventi di manutenzione.
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Principali patologie, degrado, difetti e danni delle gallerie esistenti

Per una classificazione dei difetti associati al degrado degli elementi strutturali e alla geometria della galleria si farà riferimento all’elenco riportato nella guida “Road tunnel civil engineering inspection guide – Book 2: Catalogue of deteriorations (January 2015)”. I difetti possono essere causati:

• Dall’interazione con l’acqua dovuti al terreno circostante;
• Al deterioramento dei materiali di rivestimento legati a elementi strutturali.

Modelli di calcolo e metodi di analisi per valutazione di gallerie esistenti

Il processo di valutazione della sicurezza di una galleria esistente non può prescindere dalle fasi eseguite per la realizzazione della stessa e del metodo di progettazione e codice normativo utilizzato. L’obbiettivo è quello di definire lo stato tensionale e deformativo sul rivestimento. I metodi di progetto comunemente applicati e quelli più avanzati fanno uso dell’analisi computazionale per la valutazione degli spostamenti sotterranei e superficiali, le zone plasticizzate attorno al foro e le tensioni agenti all’interno del rivestimento.

D'altro canto, la procedura di costruzione potrebbe dar luogo a forme di tunnel diverse da quelle progettate. Per questo motivo i progettisti devono sempre effettuare analisi parametriche per valutare la fattibilità del progetto. Infine, l’iter progettuale, dovrebbe fornire la base per interpretare i risultati del monitoraggio durante la costruzione. A causa delle incertezze riguardanti le proprietà dell'ammasso roccioso e i carichi indotti nel rivestimento, la precisione dei metodi analitici e numerici disponibili è spesso maggiore dell'affidabilità e dell'accuratezza dei dati ottenuti dalle indagini in sito. Inoltre, le imperfezioni che inevitabilmente influiscono sulla costruzione del tunnel hanno una grande influenza sulla risposta del sistema di sostegno.

Pertanto, al fine di comprendere l'influenza dei parametri di input sui risultati dell'analisi, devono essere effettuate analisi di sensibilità con il modello di interazione. I metodi di progettazione del rivestimento ampiamente utilizzati nella pratica dello scavo di gallerie sono (AFTES 1976; USACE1997; BTS 2004):

• Metodi empirici, solitamente basati sulla classificazione degli ammassi rocciosi;
• Soluzioni analitiche in forma chiusa;
• Modelli analitici del continuo (Muir Wood 1975);
• Metodo di convergenza-confinamento (Hoek e Brown 1980; Brown et al. 1983; Panet 1995);
• Metodi di equilibrio limite, per valutare la stabilità dei blocchi di roccia attorno ad una galleria e la stabilità del fronte della galleria (Hoek e Brown 1980; Goodman e Shi 1985);
• Modelli bedded-beam-spring (USACE 1997; Oreste 2007; Barpi e Peila 2011) in cui il rivestimento del tunnel è modellato come una serie di travi collegate tra loro e al suolo da molle radiali e tangenziali che simulano l'interazione con il terreno/roccia;
• Analisi numeriche bi e tridimensionali, che possono essere effettuate utilizzando il metodo degli elementi finiti, il metodo delle differenze finite o il metodo degli elementi distinti con la capacità di modellare strutture geometriche, geologiche e geotecniche complesse (BTS2004).

Il modello bedded-beam-spring (noto anche come metodo della reazione iperstatica) presenta alcuni svantaggi, come la corretta valutazione della rigidezza della molla e dei carichi da applicare al rivestimento, la quale deve essere valutata indipendentemente dalla deformazione del sistema utilizzando, ad esempio, approcci a carico permanente o classificazioni di ammassi rocciosi.

Nonostante tali inconvenienti, questo approccio trova ampia applicazione nella pratica progettuale grazie alla sua facilità di utilizzo e alla possibilità di ottenere una valutazione rapida e semplice delle azioni all’interno degli elementi strutturali variando i carichi agenti, ed effettuando quindi analisi di sensibilità, che è, come accennato prima, di primaria importanza.

I progettisti di tunnel dovrebbero sempre tenere conto del fatto che ogni modello potrebbe essere affetto da molte fonti di errore che potrebbero portare a previsioni inadeguate (Kalamaras 1996; BTS 2004; Peila 2009; Borio e Peila 2011) come la forma teorica del tunnel, che può essere diverso dalla realtà a causa del metodo di costruzione. Per questo motivo si analizzano le condizioni al contorno del tunnel dopo lo scavo e la sua influenza sul sistema di appoggio del terreno e sulle tensioni all'interno del rivestimento.

Tale modello descrive il rivestimento del tunnel come una serie di travi piane collegate nei loro nodi a una serie di molle radiali e tangenziali per simulare l’interazione terreno struttura (Fig. 1). Il codice di calcolo utilizzato per le simulazioni numeriche si basa sul Metodo degli elementi finiti. Il rivestimento della galleria viene discretizzato utilizzando elementi trave (a tre gradi di libertà) collegati tra loro con nodi e con il nodo fisso tramite le molle normali e tangenziali.

Questa procedura permette di tenere conto dell'interazione tra terreno ed arco quando, quest’ultimo, è interessato da deformazioni indotte dai carichi applicati (azione del terreno). La procedura di calcolo è il metodo degli spostamenti (Bathe 1996; Zienkiewicz, Taylor 2000), solitamente utilizzato nei modelli FEM. I carichi agenti sul rivestimento vengono valutati utilizzando una formulazione empirica che tiene conto delle proprietà dell'ammasso roccioso e della geometria della galleria.

Gli elementi strutturali (cioè le travi) sono solitamente modellati come elastici lineari; la loro rigidezza è funzione dello spessore e del modulo elastico dei materiali costituenti. Poiché il primo rivestimento del tunnel è realizzato in calcestruzzo proiettato e nervature in acciaio è necessario definire l'equivalente sezione trasversale della galleria e un modulo di deformabilità che dovrebbe tenere in debita considerazione le diverse proprietà del calcestruzzo proiettato (continuo) e delle nervature in acciaio (discontinuo).

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Nei prossimi paragrafi si parlerà di:

• Calcolo della pressione in calotta e spinta sui piedritti;
• Corrosione da carbonatazione;
• Aspetti generali sulla valutazione di strutture con degrado;
• Modelli di degrado.