Linee guida per la progettazione di gallerie paramassi

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    05-Jan-2017

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  • Starrylink Editrice

    Collana Tesi e Ricerca

    Ingegneria

  • Autori: Francesco Calvetti e Claudio di Prisco Titolo: Linee guida per la progettazione di gallerie paramassi Propriet letteraria riservata 2007 Francesco Calvetti e Claudio di Prisco 2007 Starrylink Editrice Brescia Contrada S. Urbano, 14 - 25121 Brescia Collana Tesi e Ricerca www.starrylink.it editrice@starrylink.it I diritti di riproduzione e traduzione sono riservati. Nessuna parte di questo libro pu essere utilizzata, riprodotta o diffusa con un mezzo qualsiasi senza autorizzazione scritta dellautore. Copertina: Starrylink Editrice Stampa: Color Art (Rodengo Saiano, Brescia), dicembre 2007 ISBN: 978-88-89720-79-0

  • Linee guida per la progettazione

    di gallerie paramassi

    Francesco Calvetti

    Claudio di Prisco

  • Prefazione

    Veneto Strade, societ a prevalente capitale pubblico, nasce, in forza di una specifica Legge Regionale, nel 2001 in conseguenza degli effetti del D. Lgs.

    112/1998 con oggetto sociale la progettazione, la manutenzione, la gestione e la vigilanza di reti stradali.

    A seguito del trasferimento da ANAS ad EE.LL. di parte della rete stradale statale, Veneto Strade gestisce attualmente nellintero Veneto circa 1400 km, di cui

    allincirca la met possono essere classificate come strade di montagna. La gestione della rete comporta, oltre alle attivit di manutenzione, anche

    lattuazione del Piano Triennale Regionale per la viabilit attraverso una serie di interventi infrastrutturali legati al miglioramento delle condizioni di sicurezza e

    funzionalit della rete stessa. La presenza di una notevole percentuale di strade di montagna pone spesso

    problematiche di difesa della sede stradale dalla caduta massi che in taluni casi vengono risolti attraverso la realizzazione di gallerie paramassi.

    Si constatato che, sia da un punto normativo che di letteratura tecnica, il panorama nazionale non individuava procedimenti di calcolo per il

    dimensionamento e la verifica di tali tipologie di opere in correlazione ai fenomeni di caduta massi.

    Lincontro con il gruppo di lavoro del Polo Regionale di Lecco del Politecnico di Milano ha permesso di iniziare un percorso di sviluppo del problema che ha portato

    alledizione di questo testo. Il lavoro svolto cerca di definire il fenomeno dellinterazione dinamico-impulsiva fra

    un corpo assunto rigido (il blocco impattante) ed un mezzo deformabile (il terreno) e di studiare quindi la risposta dinamica della struttura (la galleria).

    Fin dal principio si voluto impostare come obiettivo finale la realizzazione di uno strumento applicativo che potesse essere di aiuto per i tecnici impegnati ad

    affrontare problemi di dimensionamento di gallerie di protezione soggette allurto di blocchi lapidei in caduta.

    In ogni fase della collaborazione pluriennale fra gruppi di lavoro del Polo Regionale di Lecco del Politecnico di Milano e di Veneto Strade S.p.A. si sempre cercato di non perdere di vista tale obiettivo, confrontando i risultati dello studio in definizione

    con i casi reali e pratici che venivano affrontati nellattuazione degli interventi specifici legati al Piano Triennale Regionale.

    Lauspicio che il testo possa risultare utile sia a coloro che si avvicinano alla materia, trovandovi i necessari elementi di base, che a quanti hanno gi

    conoscenza ed esperienza; il testo non vuole ovviamente presentarsi come unopera finita sullargomento, ma come una traccia sulla quale chiunque pu

    fornire valutazioni, osservazioni e chiarimenti che Veneto Strade sar ben lieta di recepire e sviluppare.Nella speranza che tutto questo possa portare, per

    largomento specifico, alla definizione di un procedimento di calcolo normalizzato che colmi lassenza di letteratura tecnica in materia registrata allinizio del lavoro

    conclusosi con leditazione del presente testo.

    dott. ing. Silvano Vernizzi Amministratore Delegato Veneto Strade

  • Ringraziamenti

    Questo testo il risultato di una lunga collaborazione tra il Politecnico di Milano e Veneto Strade S.p.A. In particolare, il lavoro stato svolto sotto la responsabilit

    degli Autori e delling. Sandro DAgostini, promotore di questa ricerca ed interlocutore per tutti gli aspetti sperimentali e tecnico-scientifici.

    Ringraziamo tutti coloro che hanno contribuito allo svolgimento della ricerca, ed in particolare:

    ing. Helenio Dalla Torre, ing. Mauro Vecchiotti, ing. Marco Secondi Ringraziamo inoltre:

    ing. Clara Zambelli, ing. Marco Stupazzini, ing. Marcello Scola, ing. Andrea Galli, ing. Simone Lapolla, ing. Andrea Milanese

    Molti aspetti di carattere tecnico-scientifico sono stati affrontati grazie allaiuto di alcuni docenti del Politecnico di Milano, che vogliamo ricordare:

    prof. ing. Roberto Nova, prof. ing. Marco di Prisco, prof. Ing. Carlo Caprile prof. ing. Carmelo Gentile, ing. Liberato Ferrara

    Ringraziamo infine la dott.ssa Manuela Ghielmetti che ha curato la veste grafica del libro.

    Milano, dicembre 2007

    Francesco Calvetti, Claudio di Prisco Sandro DAgostini Dipartimento di Ingegneria Strutturale Veneto Strade S.p.A

    Politecnico di Milano

  • SOMMARIO

    INTRODUZIONE 9

    1 PROVE SPERIMENTALI 17

    1.1 CONSIDERAZIONI INTRODUTTIVE 18 1.1.1 Descrizione di un impatto tipo 19

    1.2 VALUTAZIONE DELLA FORZA DI IMPATTO 21 1.2.1 Massima forza dimpatto 21 1.2.2 Durata dellimpatto 22

    1.3 PENETRAZIONE DEL BLOCCO 23 1.4 PROPAGAZIONE DELLA SOLLECITAZIONE NELLO STRATO AMMORTIZZANTE 25

    1.4.1 Carico sulla piastra in funzione della forza dimpatto 25 1.4.2 Disaccoppiamento del calcolo delle sollecitazioni sulla piastra dallanalisi strutturale 26

    1.5 RISPOSTA STRUTTURALE 28 1.5.1 Azioni interne 28 1.5.2 Limportanza dello studio dinamico della struttura 29

    APPENDICE A PROVE SPERIMENTALI IN SCALA RIDOTTA 31 APPENDICE B PROVE SPERIMENTALI DI IMPATTO SU TERRENI SCIOLTI 34 APPENDICE C PROVE SPERIMENTALI IN SCALA REALE SU GALLERIA PARAMASSI 40

    2 ANALISI NUMERICHE AGLI ELEMENTI DISTINTI 49

    2.1 MODELLO AD ELEMENTI DISTINTI 49 2.2 VALIDAZIONE DEL MODELLO (IMPATTI 1-4) 53 2.3 GENERALIZZAZIONE DEI RISULTATI 56

    2.3.1 Influenza dellaltezza di caduta, impatti 5-10 (massa del blocco: 850 kg) 57 2.3.2 Influenza dellaltezza di caduta, impatti 11-13 (massa del blocco: 5000 kg) 59 2.3.3 Influenza della massa del blocco, impatti 14-18 (altezza di caduta 20 m) 60 2.3.4 Influenza della massa del blocco e dellaltezza di caduta 62 2.3.5 Influenza dello spessore dello strato ammortizzante, impatti 21-29 63

    2.4 INTERPRETAZIONE RIASSUNTIVA DEI RISULTATI 65 2.4.1 Forza dimpatto 66 2.4.2 Forza dimpatto-incremento di sforzo sulla piastra 66 2.4.3 Penetrazione del blocco 67

    2.5 CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE 68 APPENDICE D BREVE INTRODUZIONE AL METODO DEGLI ELEMENTI DISTINTI 70

    3 SIMULAZIONI NUMERICHE-MODELLO BIMPAM 75

    3.1 DESCRIZIONE SOMMARIA DEL MODELLO 75 3.1.1 Blocchetto visco-plastico 77 3.1.2 Molla elastica 79 3.1.3 Smorzatore viscoso 80

  • 3.1.4 Equazioni risolventi 80 3.2 ANALISI PARAMETRICA 82 3.3 CALIBRAZIONE DEI PARAMETRI COSTITUTIVI E VALIDAZIONE DEL MODELLO 86 3.4 CREAZIONE DI ABACHI A SCOPO PROGETTUALE 91 APPENDICE E IMPATTI SU STRATI INCLINATI 99 APPENDICE F CONFRONTO TRA SIMULAZIONI NUMERICHE OTTENUTE MEDIANTE IL CODICE BIMPAM E LE CURVE SINTETICHE 102

    4 ANALISI NUMERICA DELLA PROPAGAZIONE DELLO SFORZO 107

    4.1 SIMULAZIONE NUMERICA DELLE PROVE SPERIMENTALI MEDIANTE IL SOFTWARE FLAC2D 108 4.1.1 Analisi numeriche elastiche 110 4.1.2 Analisi elasto-plastiche 112 4.1.3 Analisi elasto-visco-plastiche 114 4.1.4 Distribuzione degli sforzi nello strato ammortizzante 115 4.1.5 Analisi elasto-visco-plastica eseguita con l'input del modello BIMPAM 118

    4.2 ANALISI PARAMETRICHE IN CAMPO ELASTICO 118 4.3 ELABORAZIONE DELLOUTPUT IN FORMA SINTETICA 122 APPENDICE G DEFINIZIONE DELLA STRATIGRAFIA 127 APPENDICE H GEOELSE 130

    5 RISPOSTA DINAMICA DELLA STRUTTURA 135

    5.1 INTERPRETAZIONE DELLA RISPOSTA STRUTTURALE: MODELLO MONODIMENSIONALE 135 5.1.1 Equazione del moto delloscillatore 136 5.1.2 Risultati 139

    5.2 SPERIMENTAZIONE IN SCALA REALE (LISTOLADE, 2006) 140 5.2.1 Caratteri generali della risposta strutturale 142 5.2.2 Risposta strutturale lungo lasse della galleria 143 5.2.3 Risposta strutturale in direzione trasversale allasse della galleria 145 5.2.4 Comportamento del sistema terreno-copertura 146

    5.3 ANALISI NUMERICA DI GALLERIA A PORTALE 148 5.3.1 Generazione dellinput sintetico 149 5.3.2 Generazione delloutput sintetico 152 5.3.3 Modello di calcolo 159 5.3.4 Risultati 160

    5.4 ANALISI NUMERICA DI GALLERIA A MENSOLA 164 5.4.1 Descrizione della struttura 164 5.4.2 Modellazione agli elementi finiti della galleria 165 5.4.3 Risultati dell'analisi dinamica della struttura sottoposta ad impatto 167

    APPENDICE I ANALISI CON INPUT GENERATO MEDIANTE BIMPAM 177

    RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI 178

  • Introduzione

    9

    Introduzione

    Questo breve manuale ha come scopo quello di fornire dati sperimentali, informazioni teorico-interpretative e strumenti ingegneristico/applicativi finalizzati alla progettazione di opere di difesa caduta massi quali le gallerie artificiali. Queste strutture di difesa sono catalogabili come sistemi passivi in quanto tese non a modificare la probabilit di innesco del fenomeno gravitativo, quanto piuttosto a ridurre il danno ad esso associato e cio la vulnerabilit dellinfrastruttura, sia essa una linea ferroviaria od un asse stradale. Queste strutture sono molto diffuse nel mondo, particolarmente in territori montani, pedemontani e rivieraschi. Generalmente, obiettivo primario quello di deviare la traiettoria del masso, anche se spesso lintercettazione della stesso porta inevitabilmente al suo arresto. Le opere in oggetto sono poste comunemente in prossimit di pareti subverticali in roccia e di conseguenza limpatto che le interessa interrompe quella che definita fase di caduta libera. Questi sistemi di difesa sono caratterizzati dalla presenza di una struttura in cemento armato e da uno strato di copertura avente funzione ammortizzante. Per chiarezza, allinterno della classe delle gallerie paramassi possibile distinguere tre categorie:

    gallerie tradizionali a portale (Figura 1) caratterizzate dalla presenza lungo lasse longitudinale di un muro in cemento armato continuo contro terra, e, sul lato di valle, da una successione di archi e pilastri.

    Figura 1: vista frontale del portale di ingresso/uscita (a), vista interna (b), arcate laterali (c) e terreno di copertura (d) per una galleria a portale

    (a) (b)

    (c) (d)

  • Introduzione

    10

    Completa la struttura una copertura continua (soletta in cemento armato), in grado di distribuire longitudinalmente i carichi agenti in superficie. Questa in genere protetta mediante uno strato ammortizzante costituito per lo pi da tout venant o materiale di risulta delle fasi di realizzazione della struttura, opportunamente macinato e disgregato. Spesso lo strato ammortizzante coperto da terreno di coltivo che permette il successivo rinverdimento dellopera. In pratica, la rigidezza della struttura assicurata dalla presenza degli appoggi pressoch continui laterali e dalla rigidezza della soletta in cemento armato che assolve la funzione di piastra. Attesi sono in questo caso periodi propri della struttura abbastanza ridotti;

    gallerie a mensola (Figura 2). Negli ultimi anni questa tipologia venuta affermandosi per motivazioni estetiche, al fine di ridurre limpatto ambientale associato alla realizzazione dellopera. In effetti, una volta terminata la struttura, ripristinato il profilo topografico nel modo pi naturale possibile, evitando la realizzazione dei pilastri lato valle, il risultato estetico quello di un lungo taglio nella montagna. Per fornire alla struttura una rigidezza sufficiente, ciascuna mensola, opportunamente tirantata nellincastro, a sezione rastremata e sostenuta lato monte da un pilastro. Questo permette di irrigidire lincastro della mensola orizzontale. Anche in questo caso una funzione essenziale assolta dalla soletta orizzontale che solidarizza i vari elementi generalmente prefabbricati. Come sar discusso in dettaglio allinterno del Capitolo 5, la presenza della soletta orizzontale continua ha una funzione essenziale per distribuire i carichi e ridurre gli sforzi agenti. In effetti la tridimensionalit del problema essenziale per comprendere la risposta strutturale del sistema. Come nel caso delle gallerie tradizionali, la struttura poi ricoperta da uno strato di terreno naturale a sezione variabile;

    Figura 2 : esempio di galleria prefabbricata a sbalzo

    gallerie policentriche. In questo caso lopera finita praticamente un tunnel completamente interrato (Figura 3). La galleria accostata alla parete in roccia ma, una volta rinverdito il pendio artificiale, il suo impatto ambientale praticamente nullo. La particolarit di questa struttura, rispetto alle due precedenti, consiste nella geometria anulare e nellimpossibilit di separare lopera dal terreno circostante allinterno del quale essa immersa.

  • Introduzione

    11

    Figura 3 : esempio di galleria policentrica, sezione con esempio di reinterro (fonte: Veneto Strade)

    Il testo, a scopo prevalentemente applicativo, si prefigge il fine di chiarire, per quanto possibile, il fenomeno, alquanto complesso, dellinterazione dinamico-impulsiva fra un corpo assunto rigido (il blocco impattante) ed un mezzo deformabile (il terreno), e di studiare quindi la risposta dinamica della struttura. Esso il risultato di una collaborazione pluriennale fra Societ Veneto Strade S.p.A. e il Polo Regionale di Lecco del Politecnico di Milano che ha di volta in volta avuto come oggetto lo studio sperimentale, teorico e numerico del fenomeno di impatto blocco-terreno e della risposta dinamica della struttura. I dati concernenti le ricerche in oggetto sono raccolti allinterno di tre reports che sono disponibili, a richiesta, presso la sezione tecnica della Societ Veneto Strade S.p.A. A scopo introduttivo bene innanzitutto mettere in evidenza le tre peculiarit pi evidenti a livello meccanico del problema considerato:

    lenorme differenza di rigidezza e resistenza dei materiali che costituiscono il blocco in roccia ed il terreno sul quale esso va ad impattare. Per questo motivo, a favore di sicurezza, il blocco considerato nel seguito infinitamente resistente ed indeformabile. Questo significa che non sar preso in considerazione il danneggiamento del blocco o la sua esplosione. Ogni processo deformativo pensato concentrato allinterno dello strato deformabile, esattamente al contrario di quanto accade nel caso degli shelters costruiti per arrestare o rallentare frane in terra. Nel nostro caso, infatti, la penetrazione attiva, cio del blocco in movimento allinterno dello strato ammortizzante, mentre nel caso degli schelters la penetrazione passiva, della struttura allinterno della massa di terreno in movimento (Figura 4). Qualora si schematizzi il blocco sferico, durante la sua penetrazione (che, a seconda della sua energia, pu raggiungere, ad esaurimento del feno...

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