Resistenza al fuoco di gallerie in calcestruzzo fibrorinforzato

I calcestruzzi FRC garantiscono migliore stabilità strutturale e resistenza al fuoco

La sensibilità al tema della sicurezza antincendio in ambito strutturale per l’Ingegneria Civile è andata sempre più crescendo negli anni, e ancor di più per infrastrutture come gallerie, fino a costituire una vera e propria priorità che ha condotto i professionisti del settore a sperimentare materiali, e nello specifico miscele di calcestruzzo, che siano in grado di resistere adeguatamente alle alte temperature.

Analizzando lo stato di fatto della rete autostradale, il territorio italiano è caratterizzato da una rete molto estesa in sotterraneo, per un totale di circa 365 km di gallerie, di cui il 70% aperta al traffico a fine anni ’70. Di conseguenza la loro vita utile sta volgendo al termine per cui ne sono richiesti interventi di riparazione e ripristino in sicurezza per gli utenti.

Tra le soluzioni alternative capaci di combinare una migliorata stabilità strutturale e buona resistenza a fuoco vi è l’utilizzo di calcestruzzi fibrorinforzati (FRC, Fiber Reinforced Concrete), con risultati ottimali in termini di qualità, tempo di esecuzione e risparmio sui materiali. Un notevole esempio di tale soluzione in totale assenza di armatura ordinaria è lo studio del progetto per il rinnovo del rivestimento delle gallerie tipiche del periodo 1970/80. Il relativo comportamento pre e post incendio è stato simulato con software di calcolo strutturale DOLMEN (prodotto da CDM DOLMEN srl di Torino).

Tecnologia 3D per la manutenzione di gallerie

L’applicazione di FRC per uso strutturale nella progettazione di gallerie gettate in opera è regolamentata dai testi normativi delle Linee Guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici (LG2021 e LG2022) sui cui si fonda quanto riportato nelle vigenti Norme Tecniche per le Costruzioni 2018.

La Circolare applicativa delle NTC, emanata nel 2019, al §C11.2.12 precisa che, oltre ai requisiti minimi prestazionali, il dosaggio minimo delle fibre all’interno del calcestruzzo non deve essere inferiore allo 0,3% in volume. Altrettanto rilevante nel panorama normativo è l’Eurocodice 2 (EC2), di cui l’Allegato L parte 1-1 tratta il progetto di strutture in calcestruzzo fibrorinforzato, riferendosi esclusivamente a fibre di acciaio (SFRC, “Steel Fibre Reinforced Concrete”).

La principale ragione che spinge ad utilizzare calcestruzzi fibrorinforzati è un migliorato comportamento post fessurativo: al momento della formazione delle micro-fessure nel calcestruzzo, le fibre si attivano contrastando l’apertura progressiva delle stesse e generando una significativa resistenza residua in combinazione a grandi valori di deformazione, fino ad un valore significativo dell’apertura di fessura. Le principali resistenze residue caratterizzanti tale materiale sono ottenibili da test di laboratorio a flessione (UNI EN 14651:2007), e di seguito riportate:

• fR,1, in corrispondenza di un’apertura di fessura (CMOD, ‘Crack Mouth Opening Displacement’) pari a 0,5 mm e utile per la progettazione SLE;
• fR,3, in corrispondenza di una CMOD pari a 2,5 mm utilizzata per progettazione SLU.

Per quanto riguarda, invece, le gallerie esistenti, in occasione del XVIII Convegno ANIDIS nel 2019, è stato illustrato un approccio metodologico che prevede principalmente l’esecuzione di un ‘sondaggio generale’ per la definizione dello stato di decadimento ed eventuali problemi locali, accompagnato da test in situ e in laboratorio, e la preparazione di un modello FEM 3D interpretativo del caso studio, necessario per definire le tecnologie più appropriate di ripristino delle condizioni accettabili.

Quanto esposto in termini di normative per gestire nei prossimi anni la manutenzione delle gallerie,può essere riassunto nei seguenti punti:

• Minimizzazione dello spessore di demolizione;
• Minimizzazione degli interventi di presidio temporaneo (ammasso/rivestimento originario residuale);
• Impermeabilizzazione della galleria;
• Massimizzazione della prestazione statica del nuovo rivestimento definitivo;
• Defunzionalizzazione statica del rivestimento esistente originario.

Tra gli sviluppi di ricerca più recenti nell’ambito dei materiali cementizi fibrorinforzati si inserisce la tecnica AM (Additive Manufacturing), ovvero un processo nel quale un componente tridimensionale è prodotto mediante deposizione multipla di strati con mezzi robotici o strumenti simili dotati di ugelli, meglio nota come tecnologia 3D Concrete Printing (3DCP), in grado di estrudere in situ intere sezioni a scala reale di rivestimenti di gallerie utilizzando FRC a rapidissima presa e sviluppo di resistenza, in assenza di vibrazione e garantendo compattezza e omogeneità in tutta la struttura.

La tecnologia adottata è detta ETLR (Extruded Tunnel Lining Regeneration), ovvero “treno di lavorazione”. Si tratta di un sistema basato sullo slipforming orizzontale di calcestruzzi speciali, e le fasi del processo ben rispondono alla strategia TRS prima descritta, in particolare grazie a diversi elementi modulari come cassaforma esterna fissa e interna scorrevole su un telaio mobile che, dotato prima di fresa a tamburo per demolire lo strato ammalorato e poi di estrusore, permette l’esecuzione della nuova calotta in continuo e un avanzamento del tutto automatizzato.

Costruzione del modello pre incendio del caso studio

La tecnologia descritta è stata proposta per l’intervento Tipologico di Sistemazione Definitiva “TRS-C2” con calcestruzzo fibrorinforzato di una Galleria Esempio, che si estende per una lunghezza complessiva di 63 metri circa.

Si tratta di un’opera realizzata negli anni Sessanta, e grazie ai documenti storici “as-built” è stato possibile estrapolare informazioni importanti in merito alle caratteristiche geometriche. A seguito di indagini sui materiali è stato possibile accertare le caratteristiche strutturali di interesse:

• Rivestimento esistente di spessore 80 cm e resistenza Rck pari a 24,15 MPa;
• Nuovo guscio in SFRC di classe C50/60 con 40 kg/m3 di fibre di acciaio e spessore 30 cm.

Entrambi i gusci, nuovo ed esistente, sono privi di barre di armatura ordinaria. Note tutte le caratteristiche dei materiali, è stato possibile passare alla realizzazione di due modelli:

1. Modello 1: a breve termine, in cui si considera il nuovo strato di FRC introdotto in galleria con comportamento strutturale indipendente dallo strato di rivestimento già esistente;
2. Modello 2: a lungo termine, si considera l’interazione tra lo strato in FRC e quello di calcestruzzo già esistente.

Si chiarisce che in entrambi i modelli lo strato FRC è assunto come l’unico con funzione strutturale. Partendo dal Modello 1, questo è stato realizzato con una struttura a gusci, caratterizzata da una mesh quadrangolare, per una profondità di 150 cm e raggio medio di 4,87 m.

La dimensione dei gusci singoli nella mesh è tale da linearizzarli nel piano XZ su un angolo di inclinazione di circa 5° tra un singolo elemento guscio e il successivo superiore, angolo tale che tra conci consecutivi avvenga una trasmissione degli sforzi di compressione (cos5°≅1) e al contempo ne sia minimizzato il taglio (sen5°= 0,09).

Per quanto riguarda i carichi applicati, si sono presi in considerazione il peso proprio dei gusci (calcolato automaticamente dal software una volta definiti i materiali e la geometria) e peso del terreno pari a 280 kPa, considerato come carico distribuito verticale rispetto al sistema di riferimento globale della struttura, data la buona qualità dell’ammasso roccioso (valori alti di RQD e quindi del modulo elastico) e quindi l’assenza di spinte laterali, oltre che di arco rovescio.

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IS FUOCO – Prevenzione incendi nei progetti 
IS FUOCO di Dolmen è il software per il progetto e la verifica di sezioni in condizioni di incendio. Il programma effettua verifiche REI di elementi in C.A., in C.A.P. ed in acciaio in condizioni di incendio gli Eurocodici e le NTC 18.
L'analisi termica della sezione soggetta ad un carico di incendio viene effettuata con il metodo degli Elementi Finiti a tre e quattro nodi e richiede l'integrazione su tutto il dominio e nel tempo dell'equazione di Fourier.
L’introduzione della sezione è semplice ed intuitiva, questa può essere composta da uno o più contorni e può avere fori e cavità interne.
La sezione può essere attinta da un ampio database di forme standard o dal profilario di elementi in acciaio o essere importata da .dxf o disegnata tramite il cad interno al programma.