Prove di sollecitazione in loco dei segmenti di rivestimento della galleria della metropolitana di Barcellona

La costruzione della nuova linea L9 della metropolitana, attualmente in corso a Barcellona, la quale comprende una singola galleria con due livelli di trasporto, richiede delle prove di carico sui segmenti di rivestimento. La decisione di effettuare le prove in loco fu presa sia per considerazioni tecniche che economiche. Queste prove furono condotte nel Dicembre del 2005 usando una sezione di prova in scala 1:1.

 

Introduzione

La costruzione della nuova linea L9 della metropolitana, attualmente in corso a Barcellona, la quale comprende una singola galleria con due livelli di trasporto, richiede delle prove di carico sui segmenti di rivestimento. La decisione di effettuare le prove in loco fu presa sia per considerazioni tecniche che economiche. Queste prove furono condotte nel Dicembre del 2005 usando una sezione di prova in scala 1:1.

Il rivestimento dei segmenti era costruito con SFRC (Cemento rinforzato con fibre di acciaio) senza barre di rinforzo. L'obiettivo principale della prova di carico, concepita specificamente per quest'indagine, era di ottenere la prova sperimentale del comportamento di questi elementi di rivestimento della galleria, fatti di SFRC e senza alcuna armatura convenzionale, sotto la pressione concentrata del terreno. Il carico veniva misurato usando trasduttori di pressione HBM.

Il progetto L9 comprende una galleria lunga circa 40 km, scavata con una fresatrice del diametro di 12 m. I tubi, consistono di 7 + 1 segmenti larghi ognuno 1,8 m e di spessore globale di 0,35 m (Fig. 1).

L'impiego di parti già miscelate di SFRC non è usuale, ma aumenta la tenacità dei segmenti riducendo la possibilità di danni durante la rimozione dallo stampo e durante il successivo trasporto e messa in opera. Nella galleria di Barcellona la gabbia di armatura fu completamente sostituita con 60 kg/m³ di fibre di acciaio. Degli esperimenti sui segmenti di rivestimento, in scala 1:1 ed in condizioni di laboratorio, erano già stati effettuati precedentemente nei Paesi Bassi ed in Germania, ma prove di carico nelle effettive condizioni di esercizio in loco non erano mai state prima effettuate.

Concetto della prova e configurazione della misurazione

Lo scopo della prova era quello di migliorare la comprensione del comportamento dei segmenti di rivestimento di SFRC per gallerie. La prova in loco è ragionevole perché rende possibile la valutazione del contributo degli anelli vicini al comportamento dei segmenti esaminati. Si presume che esso dipenda principalmente dalla residua sollecitazione di compressione nella direzione longitudinale fra gli anelli, provocata dalla pressione assiale della macchina fresatrice.

 

 

 Fig. 1: Sezione del rivestimento della linea L9 della metropolitana (Sezione 4a)

Inoltre, i risultati sono molto utili per verificare i carichi presunti ed i metodi utilizzati per il calcolo statico dei segmenti di rivestimento. Essi verranno usati anche per valutare l'idoneità dello SFRC come materiale da costruzione per i segmenti.

La prova consiste nel applicare il carico mediante tre martinetti idraulici a base piatta annegati nella superficie esterna curva di due anelli dei segmenti. Questi martinetti furono posizionati come mostrato in Figura 2, in modo da coprire un settore di 48° in una configurazione verticale simmetrica al limite superiore della curva.

 

 

Fig. 2: Posizione del segmento K nell'anello, direzione proposta di caricamento del martinetto idraulico a base piatta

La Figura 3 mostra le posizioni dei recessi e l'installazione dei martinetti idraulici a base piatta. 

 

Fig. 3: Posizione ed installazione dei martinetti idraulici a base piatta

Vantaggi e svantaggi delle prove in loco

Vantaggi tecnici:

1. La reazione della struttura di calcestruzzo è determinata dalle effettive condizioni in loco.
2. Viene considerata l'influenza di tutti gli elementi, il che significa che si tiene conto delle componenti tangenziali del contatto fra il rivestimento ed il terreno, insieme alle componenti radiali.
3. Vengono implementate in condizioni reali la pre-sollecitazione in direzione longitudinale fra gli anelli e la de-sollecitazione.
4. Lo stato di carico/deformazione prima della prova corrisponde allo  “stato normale” della galleria dopo aver installato il rivestimento.

Svantaggi delle prove in loco:

1. Ci sono difficoltà nell'interpretazione dei risultati, dovute alle naturali incertezze del comportamento meccanico del sito e della malta iniettata.
2. Avendo implementato le misurazioni con aree di applicazione del carico predefinite, non è possibile cambiare retrospettivamente la posizione del jack pre-sollecitato.
3. Per evitare danni al rivestimento, il carico deve restare sotto il limite di rottura.
4. La sequenza di prova deve essere coordinata col programma di lavorazione.

Vantaggi economici:

1. Non sono richiesti ambienti speciali o spazi addizionali e costose apparecchiature da laboratorio.
2. Gli strumenti di misura usati in loco possono essere impiegati anche altrove, dato che le misurazioni possono essere effettuate durante o dopo le prove.

La sezione dell'esperimento comprende 16 anelli SFRC (senza barre di rinforzo), di cui cinque erano dotate di estensimetri (ER) annegati, trasduttori di pressione e trasduttori di spostamento nei giunti. Per il monitoraggio di questi anelli fu incorporato un totale di 150 ER e 18 trasduttori di pressione. Inoltre, furono applicati 7 trasduttori per i movimenti verticali (Figura 4) e 52 ulteriori trasduttori di spostamento per misurare i movimenti tangenziali e verticali dei giunti fra i segmenti. Ciò corrisponde a quattro trasduttori di spostamento 2-D nei giunti fra gli anelli (Figura 5) e 44 trasduttori di spostamento per misurare i movimenti tangenziali nei giunti fra i segmenti di un anello. Tutti i sensori furono collegati a strumenti di misura esterni prima dell'inizio delle prove.

 

 

 

Fig. 4: Misurazione delle deformazioni con trasduttori di spostamento

 

Fig. 5: Trasduttore di spostamento 2D (radiale e longitudinale) al vertice della curva fra due anelli

Sistema idraulico e trasduttori di pressione

I tre martinetti a base piatta incorporati erano controllati individualmente da tre valvole manuali, con l'unico scopo di regolare l'alimentazione di olio idraulico. La pressione del sistema di tubazioni era generata e controllata da una pompa elettrica da olio impostata a 900 bar, la pressione era misurata e registrata da un'unità di acquisizione dati che impiegava trasduttori di pressione HBM P2VA1/200, i quali hanno una sensibilità molto alta (Figura 6); 1 bar nel martinetto corrisponde alla forza di 10 kN. I dati tecnici dei trasduttori di pressione sono riassunti nella Tabella 1.

 

 

 

Tab. 1: Dati tecnici dei trasduttori di pressione impiegati

Non era necessario un sistema di acquisizione dati con alta cadenza di campionamento, perché il carico era puramente statico e la probabilità di guasti era molto bassa. Invece fu usato un sistema di acquisizione dati che operava con tecnologia multiplexer (registratore dati), con risoluzione di 6 ½  cifree massima cadenza di campionamento di 60 canali/secondo. L'acquisizione dati rileva un valore di misura ogni due secondi. I risultati dimostrano che i trasduttori di pressione erano molto affidabili. La Figura 6 mostra la pompa dell'olio, le valvole ed i trasduttori di pressione; la Figura 7 mostra lo schema del circuito idraulico.

 

Fig. 6: Pompa dell'olio, valvole e trasduttore di pressione

 

 

 

Fig. 7: Rappresentazione schematizzata del circuito idraulico

Caricamento

Il caricamento avvenne in tre fasi ed è mostrato in Figura 8. Nella fase 0 fu applicato il carico di 100 kN per martinetto e mantenuto per circa 18 ore. Questa fase preparatoria fornì informazioni sulla caduta della pressione dei martinetti e sullo stato dell'intero sistema. Nella fase 1 fu applicato il carico di  500 kN per martinetto. Il martinetto No. 3 si guastò all'inizio di questa fase. Nella fase 2 fu applicato il carico di 1500 kN ai martinetti 1 e 2, simultaneamente su entrambi e separatamente.

 

Fig. 8: Curva forza/tempo durante la prova

Risultati di misura

La Tabella 2 mostra la deflessione verticale al vertice della curva per varie combinazioni di carico. La massima deflessione verticale di 3,1 mm fu raggiunta nella fase 2 con il carico di 1500 kN usando il martinetto 2. Dopo il completo processo di caricamento, la deflessione verticale residua fu di 1,2 mm (38 % della deflessione sotto carico).

 

 

Tab. 2: Deflessioni verticali al vertice, massima e residua

Nei diagrammi seguenti vengono mostrati altri risultati, con la pressione e la deformazione nell'asse y ed il tempo nell'asse x.

La Figura 9 mostra le tendenze della pressione e dello spostamento radiale fra gli anelli ed il vertice della curva nella fase 2, in cui ambedue i martinetti continuano a caricare il rivestimento fino a raggiungere ognuno i 1500 kN. Questo fu il massimo carico applicato durante le prove. Gli spostamenti radiali non erano simmetrici sui due lati dell'anello sotto carico (1838). Come si può anche notare in Figura 9, gli spostamenti erano praticamente trascurabili fra gli altri anelli.

La Figura 10 mostra la pressione e lo spostamento relativo verticale fra gli anelli al vertice, ancora durante la fase 2. Qui ambedue i martinetti stanno applicando il massimo carico. Anche in questo caso non sono simmetrici gli spostamenti circonferenziali sui giunti longitudinali fra i segmenti A2 ed A3. Questa mancanza di simmetria è imputata alla posizione eccentrica dei martinetti durante la costruzione dei segmenti.

 

Fig. 9: Pressione e spostamento in direzione radiale fra gli anelli al vertice della galleria (fase di caricamento 2)

 

Fig. 10: Pressione e spostamento in direzione circonferenziale nel giunto longitudinale fra i segmenti A2 ed A3

 

Fig. 11: Quadro di fessurazioni della superficie interna non coperta della galleria dopo il completamento della fase 2

La prima fessura apparve nelle vicinanze del vertice della curva nel segmento A2 col carico compreso fra 40 e 500 kN, applicato contemporaneamente dai martinetti 1 e 2 durante la fase 1. La Figura 11 mostra il quadro di fessurazione al carico di 1500 kN per martinetto. Si può notare che la fessura principale corre parallela all'asse longitudinale della galleria. Ciò, ed il fatto che gli anelli vicini si siano appena mossi, si può interpretare nel senso che gli anelli abbiano assorbito la maggior parte del carico. La Figura 12 mostra le fessure nella parte interna della curva dopo la fase 2. Da queste fessure filtrava dell'acqua. Tale perdita era prevista, dato che il livello dell'acqua di falda si trova 10 metri sopra il tetto della galleria.

 

Fig. 12: Fessure dopo la fase 2

Osservazioni conclusive

Durante la costruzione della galleria della linea L9 della metropolitana di Barcellona, fu eseguita una prova in loco sul rivestimento. Lo scopo principale della prova fu di ottenere il riscontro sperimentale della capacità portante dei segmenti di SFRC in condizioni operative. I carichi applicati furono sufficientemente alti da generare movimenti e fessurazioni significative nei segmenti. Furono ottenute sei varianti di caricamento sul rivestimento, mediante la combinazione di varie pressioni esercitate dai martinetti a base piatta impiegati. Il massimo carico esercitato sulla superficie esterna dell'anello fu di 3000 kN.

Dalle indagini sperimentali si possono trarre le seguenti conclusioni:

• Gli anelli adiacenti erano influenzati solo trascurabilmente dalla reazione globale dell'anello caricato. Si notavano chiaramente gli spostamenti fra i segmenti caricati e gli anelli adiacenti.
• L'area influenzata dal carico era ristretta alla metà superiore dell'anello caricato. I trasduttori installati nella sezione inferiore dell'anello caricato (sia interni che esterni) mostravano appena delle variazioni durante il caricamento.
• La deformazione degli anelli caricati era provocata principalmente dalla rotazione dei giunti longitudinali fra i segmenti.
• Le analisi 2D non lineari effettuate durante la fase di pianificazione hanno rilevato deformazioni dei singoli anelli che sono paragonabili con i valori misurati. Saranno effettuate analisi supplementari per ottenere una miglior interpretazione dei risultati.

 

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano la compagnia pubblica responsabile della progettazione e costruzione della linea L9 della metropolitana di Barcellona, la Gestió d’Infraestructures, S.A. (GISA), per il finanziamento di questi studi di ricerca, Che furono condotti dal Dipartimento di Ingegneria Civile dell'Università Tecnica della Catalogna UPC. Gli autori ringraziano anche tutto il personale della UTE L9, Payma Cotas e della UPC che ha partecipato. Ringraziamenti speciali vanno al personale del laboratorio di ingegneria strutturale, Mr. Carlos Hurtado e Mr. Jordi Lafuente, così come Ms. Roser Valls, Ms. Marta de la Torre e Ms. Gemma Viladomat.

Riferimenti

[1] Molins, C.: Investigación teórica y experimental del revestimiento de túneles a base de anillos de dovelas prefabricadas: diseño de un ensayo in situ del revestimiento del túnel de la L9 del Metro de Barcelona. Sèrie Investigació: 706-I01-05. Departamento de Ingeniería de la Construcción, Universitat Politècnica de Catalunya. Barcelona 2005

[2] Molins, C., Marí, A. R., Aguado, A., P: Proyecto de prueba de carga del revestimiento del túnel a base de dovelas prefabricadas de la L9 del Metro de Barcelona. Proceedings of the III ACHE - Congreso de Puentes y Estructuras de Edificación de la Asociación, 14 -17 November 2005, 893-905, Saragossa, Spain