Valutazione della vita residua di gallerie esistenti soggette a degrado per corrosione

Nella seconda parte dell’articolo vengono riportate le analisi di capacità portante di una galleria esistente in condizioni di degrado per corrosione promossa dalla CO₂ (intenso traffico veicolare). Definito lo scenario critico di degrado che riguarda l’intradosso della calotta, l’analisi di diffusione permetterà di determinare, in funzione dei parametri che regolano il fenomeno, lo spessore del calcestruzzo carbonatato, il grado di corrosione nell’acciaio e lo stato di fessurazione del calcestruzzo in funzione del tempo.

Infine la valutazione della capacità portante per prefissati livelli di corrosione raggiunti ci permetterà di stimare la vita residua dell’opera e programmare eventuali interventi di manutenzione.

Generalità, principali patologie e modelli di calcolo di gallerie soggette a degrado per corrosione
Nella prima parte dell'articolo viene analizzata la capacità portante di una galleria in funzione del degrado localizzato (corrosione delle barre di armatura e fessurazione del calcestruzzo) dovuto alle emissioni di CO₂ presenti nei gas di scarico dei mezzi di trasporto.
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Generalità sul modello

Il modello di galleria utilizzato nel presente articolo fa riferimento allo studio di E. Nigro et.al “Criteri di verifica ed analisi numeriche del rivestimento in c.a. di gallerie ferroviarie in condizioni di incendio“. Si precisa che ai fini della valutazione statica in condizioni di degrado della galleria è stato considerato solo il modello geometrico globale e dei singoli elementi strutturali, per ciò che riguarda le caratteristiche fisico meccaniche dei materiali calcestruzzo, acciaio e distribuzione delle armature e relativo copriferro sono stati ipotizzati in quanto tale lavoro è a scopo di ricerca e di guida speditiva alla valutazione della capacità portante delle gallerie in condizioni di degrado.

Caso di studio

Modello geostrutturale

Nel caso di studio si fa riferimento al modello di galleria riportato nella figura 1 scavata in un ammasso roccioso fratturato costituito da calcari dolomitici con indice RMR Bieniawski (1989) variabile tra le classi II e III. Il tunnel è considerato asciutto in assenza di acqua.

Il modulo di deformazione dell'ammasso roccioso è stato calcolato con la formula di Hoek-Brown (Hoek et al. 2002), quindi sono stati ottenuti i valori medi di Kn e Kt, da utilizzare per i calcoli, considerando uno spessore del calcestruzzo proiettato pari a zero.
I carichi applicati q_v e q_h sono stati valutati utilizzando la formulazione Terzaghi con una coesione drenata di 0,18 M_Pa e un angolo di attrito di 29° per l'ammasso roccioso. I carichi ottenuti sono q_v = 0.167 M_Pa e q_h = 0,5 ٠q_v = 0,0835 M_Pa.
Lo spessore medio della galleria è variabile da 65 cm per l’arco a 90 per i piedritti a 100 cm per la fondazione. Le rigidezze delle molle normali e tangenziali sono assunte pari a Kn=8 · 105 P_a/m e Kt=2,6 · 105 P_a/m.

Come accennato in premessa, l’obbiettivo del presente lavoro è quello di valutare tramite modelli di calcolo semplificati e speditivi la capacità portante della galleria soggetta a carichi statici (pressione calotta e spinte piedritti), al variare del livello di degrado per corrosione delle armature promossa da carbonatazione (CO₂) con riferimento ai seguenti modelli di calcolo e metodi di analisi:

• Interazione terreno-struttura: modello a molle non lineari di tipo no-tension a compressione e tipo Coulomb a taglio descritti all’articolo precedente;
• Elementi strutturali: modello di trave in c.a. non lineare a plasticità diffusa (fibre) con danno inglobato;
• Degrado per corrosione: Modello di corrosione uniforme.

La valutazione della capacità portante, seppur possa essere determinate tramite analisi lineari, essendo il problema fortemente non lineare per il terreno e il danneggiamento strutturale si fa ricorso ad analisi a spinta o statiche non lineari tipo Push-down.

Materiali e relative caratteristiche meccaniche

Le caratteristiche fisico meccaniche della galleria ad arco-rovescio in calcestruzzo armato e le relative armature sono riportate nella tabella 1. Si fa riferimento ad un livello di conoscenza pari a LC2 con relativo fattore di confidenza FC=1.20.

Scenari di degrado, analisi diffusione CO₂

Lo scenario di degrado più realistico per l’opera in oggetto ai fini della riduzione di portanza statica è la diffusione della C0₂ all’intradosso della calotta (fig.2). I parametri di diffusione fanno riferimento ad un ambiente moderatamente aggressivo (coefficiente di diffusione e densità di corrente, rispettivamente):

• K=7.0 ^mm⁄anni^0.5 ;
• i_corr=50 mA/m²;

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Nei prossimi paragrafi si parlerà di:

• Valutazione capacità portante in condizioni di degrado;
• Considerazioni finali sull'analisi effettuata.