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Scavo con TBM scudate

Modelli per il dimensionamento degli anelli in conci prefabbricati: analisi comparative

Nel campo delle gallerie scavate con TBM scudate, con rivestimenti in conci prefabbricati, è in atto una continua tendenza alla semplificazione delle unioni tra i conci e all’alleggerimento delle armature. Con riferimento ai rivestimenti realizzati mediante anelli universali con installazione a giunti sfalsati, è oramai consolidato, per le unioni, l’utilizzo di connettori longitudinali e di bulloni rettilinei inclinati passanti grosso modo per il baricentro dei giunti trasversali. Per quanto riguarda l’armatura dei conci, è invece sempre più frequente la sostituzione dell’armatura tradizione in barre d’acciaio con le fibre d’acciaio. Sia per le unioni che per le sezioni resistenti, l’orientamento è nel senso di una costante riduzione delle caratteristiche di resistenza.

A fronte di ciò restano aperti i seguenti temi progettuali:

  • l’anello di conci prefabbricati è, di per sé, una struttura labile che acquisisce iperstaticità o attraverso le unioni o confidando sull’ottimale distribuzione delle reazioni di sottofondo. Quest’ultime devono essere garantite dalle iniezioni sul contorno, a pressione controllata, da effettuare immediatamente a tergo dello scudo;
  • la distribuzione delle pressioni sul contorno dell’anello, per consentire l’ipotizzata riduzione delle  resistenze delle unioni e delle sezioni strutturali, deve essere il più possibile uniforme. A questo scopo le iniezioni sul contorno giocano ancora un ruolo fondamentale;
  • il superamento della labilità dell’anello e/o la collaborazione degli anelli successivi (necessaria sia ai fini dell’aumento delle resistenze delle strutture sia per la stessa riduzione della labilità), a livello progettuale, deve comunque essere ottenuta attraverso le unioni tra i conci al fine di fare fronte comunque a pressioni di progetto non uniformemente distribuite sul contorno (sempre possibili in ambito urbano nel caso di scavi in fregio o in presenza di carichi non simmetrici o in ambito non urbano per comportamenti anisotropi e dissimmetrici e in generale per sollecitazioni sismiche).

Dal punto di vista del calcolo, passando da approcci semplificati a modelli più raffinati, è in generale possibile giustificare una riduzione delle resistenze sia a livello delle unioni che delle sezioni strutturali. Nell’usale pratica progettuale, infatti, i rivestimenti in conci prefabbricati vengono spesso studiati come rivestimenti continui, senza considerare l’effetto degli elementi di connessione longitudinali (tra due anelli) e trasversali (tra conci contigui). I primi vengono solitamente considerati come elementi di connessione tra gli anelli atti a diminuire la labilità del sistema e a sopportare solo il peso dei conci principalmente in  fase di montaggio degli stessi, nonché la pressione delle iniezioni subito a tergo dello scudo (sull’ultimo anello montato). Le unioni trasversali, viceversa, vengono spesso considerate solo in una fase successiva alla modellazione, ridistribuendo in modo opportuno le sollecitazioni ricavate nell’anello e considerando in modo schematico una migrazione degli sforzi tra anelli adiacenti.

  • Il rivestimento della galleria
    Il rivestimento della galleria mediante anelli in conci prefabbricati
    Il rivestimento della galleria mediante anelli in conci prefabbricati
  • Uno schema dei giunti trasversali (unioni longitudinali)
    Uno schema dei giunti trasversali (unioni longitudinali)
    Uno schema dei giunti trasversali (unioni longitudinali)
  • Uno schema dei giunti longitudinali (unioni trasversali)
    Uno schema dei giunti longitudinali (unioni trasversali)
    Uno schema dei giunti longitudinali (unioni trasversali)
  • Uno schema dell’anello in conci prefabbricati
    Uno schema dell’anello in conci prefabbricati
    Uno schema dell’anello in conci prefabbricati
  • Il modello Beam senza e con i giunti longitudinali
    Il modello Beam senza e con i giunti longitudinali
    Il modello Beam senza e con i giunti longitudinali
  • Il modello Beam senza e con i giunti longitudinali
    Il modello Beam senza e con i giunti longitudinali
    Il modello Beam senza e con i giunti longitudinali
  • Un modello Shell di anelli multipli
    Un modello Shell di anelli multipli
    Un modello Shell di anelli multipli
  • La configurazione A (chiave in calotta) e B (chiave ruotata)
    La configurazione A (chiave in calotta) e B (chiave ruotata)
    La configurazione A (chiave in calotta) e B (chiave ruotata)
  • Uno schema dei giunti tra i conci
    Uno schema dei giunti tra i conci
    Uno schema dei giunti tra i conci
  • Una schematizzazione dei giunti longitudinali
    Una schematizzazione dei giunti longitudinali
    Una schematizzazione dei giunti longitudinali
  • La pressione distribuita su tutto l’anello
    La pressione distribuita su tutto l’anello (Pbackfilling = 50 kPa)
    La pressione distribuita su tutto l’anello (Pbackfilling = 50 kPa)
  • La pressione uniforme su una porzione della calotta
    La pressione uniforme su una porzione della calotta (Prif = 100 kPa)
    La pressione uniforme su una porzione della calotta (Prif = 100 kPa)
  • Un confronto grafico
    Un confronto grafico tra il modello 2D e il modello 3D di un anello (configurazione A - Pbackfilling = 50 kPa - Prif= 120 kPa)
    Un confronto grafico tra il modello 2D e il modello 3D di un anello (configurazione A - Pbackfilling = 50 kPa - Prif= 120 kPa)
  • L’andamento qualitativo delle sollecitazioni
    L’andamento qualitativo delle sollecitazioni (azioni assiali) nell’anello al variare della rigidezza dei connettori longitudinali (Pbackfilling = 50 kPa – Prif =120 kPa)
    L’andamento qualitativo delle sollecitazioni (azioni assiali) nell’anello al variare della rigidezza dei connettori longitudinali (Pbackfilling = 50 kPa – Prif =120 kPa)
  • L’andamento qualitativo delle sollecitazioni
    L’andamento qualitativo delle sollecitazioni (azioni assiali) nell’anello al variare della rigidezza dei connettori longitudinali (Pbackfilling = 50 kPa – Prif =120 kPa)
    L’andamento qualitativo delle sollecitazioni (azioni assiali) nell’anello al variare della rigidezza dei connettori longitudinali (Pbackfilling = 50 kPa – Prif =120 kPa)
  • L’andamento qualitativo delle sollecitazioni
    L’andamento qualitativo delle sollecitazioni (azioni assiali) nell’anello al variare della rigidezza dei connettori longitudinali (Pbackfilling = 50 kPa – Prif =120 kPa)
    L’andamento qualitativo delle sollecitazioni (azioni assiali) nell’anello al variare della rigidezza dei connettori longitudinali (Pbackfilling = 50 kPa – Prif =120 kPa)
  • L’andamento qualitativo delle sollecitazioni
    L’andamento qualitativo delle sollecitazioni (azioni assiali) nell’anello al variare della rigidezza dei connettori longitudinali (Pbackfilling = 50 kPa – Prif =120 kPa)
    L’andamento qualitativo delle sollecitazioni (azioni assiali) nell’anello al variare della rigidezza dei connettori longitudinali (Pbackfilling = 50 kPa – Prif =120 kPa)

La prima fase dello studio

In questa prima fase dello studio, si riportano le analisi comparative svolte con diversi metodi di modellazione del rivestimento con riferimento al caso specifico della Linea 7 della Metropolitana di Teheran, al fine di indagare i limiti e i vantaggi di ciascuno di essi. La galleria è stata scavata con una TBM-EPB di diametro di 9,2 m con un rivestimento avente spessore di 35 cm, costituito da anelli universali di larghezza media 1,5 m (min. 1,46 m e max. 1,54 m) composti da sei conci più la chiave. Il diametro esterno dell’anello è pari a 8,86 m. I conci prefabbricati sono stati realizzati con calcestruzzo C40/50 e armature in barre d’acciaio B450C. Per affrontare tutte le situazioni di carico erano state previste tre tipologie di armatura:

  • type I = 12 + 12φ12 mm;
  • type II = 12 + 12φ16 mm;
  • type III = 12 + 12φ20 mm.

Le unioni trasversali tra i conci sono realizzate mediante due bulloni per ogni giunto mentre le unioni longitudinali tra gli anelli sono realizzate mediante tre connettori longitudinali per ciascun concio più uno nel concio di chiave. È importante osservare che la scelta della geometria dei conci (giunti longitudinali paralleli o no all’asse della galleria) e degli elementi di collegamento (longitudinali e trasversali) deve essere compatibile con i cinematismi che devono essere messi in atto per il montaggio dei conci stessi. Nella scelta del rivestimento si deve infatti considerare che non tutte le soluzioni sono ammissibili. Per esempio, in linea di massima, non si potranno prevedere giunti longitudinali tra i conci paralleli all’asse della galleria contemporaneamente alla presenza di barre guida tra i conci e connettori tra gli anelli perché i connettori longitudinali richiedono che i conci siano montati con un solo movimento parallelo all’asse della galleria, non compatibile con la presenza delle barre guida.

La modellazione del rivestimento in conci

Nell’ottica di analizzare l’influenza dei giunti sul comportamento del rivestimento sono stati sviluppati più modelli di calcolo mediante l’ausilio del software SAP2000 edito dalla Computers & Structures Inc, in ordine crescente di difficoltà:

  1. modelli piani costituiti da elementi di tipo Beam rappresentativi di un singolo anello, senza considerare la presenza dei giunti;
  2. modelli piani costituiti da elementi di tipo Beam rappresentativi di un singolo anello con la schematizzazione de i giunti longitudinali medianti elementi tipo Link;
  3. modelli 3D costituiti da elementi di tipo Shell rappresentativi di un singolo anello, senza considerare la presenza dei giunti;
  4. modelli 3D costituiti da elementi di tipo Shell rappresentativi di un singolo anello con la schematizzazione dei giunti longitudinali medianti elementi tipo Link;
  5. modelli 3D costituiti da elementi di tipo Shell rappresentativi di anelli multipli con la schematizzazione dei giunti longitudinali mediante elementi tipo Link e dei giunti trasversali in corrispondenza dei connettori mediante elementi di tipo Beam.

Tutti i modelli (1-4) sono stati studiati in due configurazioni: configurazione A (anello dispari con chiave in calotta) e configurazione B (anello pari con rotazione attorno all’asse di un angolo θ = 38° in senso orario). In tutti i modelli, i conci sono simulati assegnando agli elementi Beam o Shell lo spessore del rivestimento (35 cm) e le caratteristiche di deformabilità del calcestruzzo C40/50 (E = 33GPa). Il peso proprio dei conci è stato trascurato, in quanto ininfluente ai fini dei risultati e il rivestimento è stato vincolato a terra mediante elementi elastici non lineari, non reagenti a trazione, aventi una costante di sottofondo pari a K = 20.000 kN/m3.