CONSOLIDAMENTO DI UN VERSANTE FRANOSO

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1 CONSOLIDAMENTO DI UN VERSANTE FRANOSO MEDIANTE OPERE IN C.A. L intervento di Addiment Italia in terreni chimicamente aggressivi Cataldo Matteo Corcella addimentitalia.it] Marco Coalova addimentitalia.it] Salvatore Tavano addimentitalia.it] Nell'aprile 2009 si sono verificati molteplici eventi calamitosi dovuti a piogge insistenti e di notevole intensità che hanno causato frane e smottamenti in diverse località del basso Piemonte. Nel Comune di Verduno in provincia di Cuneo a 6 km da Alba, il 26 aprile 2009 si è verificata una frana stimata in un movimento terra di circa 250 m 3 in prossimità delle ultime case nel versante sud - est. Questa frana, pur non avendo provocato danni immediati alle abitazioni di pertinenza del terreno interessato, ha creato una situazione di rischio che ha reso necessario un rapido intervento allo scopo di mettere in sicurezza le abitazioni a monte e la scarpata sottostante che confina con una strada provinciale S.P Gli interventi, perlopiù costituiti da opere di contenimento realizzate in calcestruzzo, sono stati progettati ed eseguiti in accordo alla recente normativa tecnica per le costruzioni (NTC 14 genn. 2008), con particolare riferimento al rispetto dei requisiti imposti dai criteri di durabilità, espressi dalle classi di esposizione ambientale. Particolare attenzione è stata posta alla corretta formulazione delle prescrizione di capitolato relative al calcestruzzo, rivolte al produttore del conglomerato cementizio, e quelle che attengono la struttura destinate invece all impresa esecutrice. 1 - Vista aerea dell area (fonte Visual PG). 8

2 le Cause del dissesto Prima di decidere come e dove intervenire si è resa necessaria una accurata indagine geologica per accertare la natura del terreno e la consistenza del sistema roccioso su cui posa l'immobile. L indagine ha rivelato che i fabbricati, a valle dei quali si è innescato il fronte di frana, sorgono nella parte sommitale di un versante molto acclive caratterizzato da una giacitura degli strati geologici detta a reggipoggio. Da un punto di vista stratigrafico il substrato geologico è rappresentato dalla formazione denominata Gessoso-Solfifera. Questa è costituita nell area in esame da due diverse litofacies: dei corpi gessosi cristallini, variamente fratturati e interessati da fenomeni di pseudo-carsismo, costituenti la parte sommitale del versante, e delle marne-argillose fittamente stratificate che costituiscono il sottosuolo del tratto di pendio immediatamente a valle della scarpata ove è avvenuto il movimento franoso. Stante la suddetta situazione litostratigrafica i fattori idrogeologici hanno avuto certamente un peso rilevante nell evoluzione del dissesto. La continua erosione selettiva al contatto tra i blocchi gessosi fratturati e le sottostanti marne argillose, ha infatti determinato l assetto a sbalzo dei primi e favorito il fenomeno di ribaltamento/crollo dei cunei rocciosi e mobilitazione delle coperture detritiche. Il fattore scatenante che ha determinato il movimento franoso sono state le abbondanti precipitazioni piovoso/nevose che si sono concentrate nell arco dell inverno-primavera 2008/2009. Queste hanno impedito il naturale drenaggio dei primi strati del sottosuolo, rendendo critico l equilibrio lungo i versanti, come testimoniato ampiamente dal grande numero di movimenti franosi che si sono verificati a partire da Aprile 09 nell area delle Langhe. 2 - Aspetto attuale della scarpata a valle del dissesto. 9

3 opere di Consolidamento L opera di consolidamento è consistita nella realizzazione di un muro di contenimento in c.a. (spessore 50 cm, alla base 90 cm) vincolato ad un sistema di pali trivellati del diametro di 30 cm. La lunghezza dei pali è stata fissata in modo tale che questi fossero immorsati per almeno 3 4 m di profondità all interno del substrato geologicamente più competente (marne argillose). Sulla base della sezione Geologico-Tecnica del versante, ricavata con dettaglio grazie all esecuzione di indagini penetrometriche, la lunghezza media dei pali trivellati è stata fissata a 8 10 m a seconda della posizione del pali relativamente al substrato. 3 - Sezione geologica dell'are interessata dalla frana 4 - Vista frontale dell'opera 5 - Tiranti di ancoraggio La soluzione dei pali immorsati al substrato è applicabile con successo a questa situazione in quanto il movimento franoso non presenta caratteri di scivolamento planare profondo in roccia. L intervento ha quindi il solo scopo di consolidare la porzione di colonna stratigrafica di pertinenza dei materiali sciolti e dei blocchi di gesso cristallino che sono attualmente esposti lungo la scarpata. Al fine di fornire un ulteriore contributo strutturale al muro di contenimento, si è proceduto alla realizzazione di tiranti in acciaio annegati in calcestruzzo all interno dei blocchi gessosi (diametro complessivo 12 cm, lunghezza 12 m). 3 10

4 1 - Il ponte sul Tago a Santarem, Portogallo, isolato con HDRB. 2 - Il complesso NATO AF SOUTH presso Napoli utilizza 399 isolatori di grandi dimensioni. E il più grande edificio sismicamente isolato con questa tecnologia in Europa. 4 11

5 schema progettuale Le opere di sostegno sono costituite da un muro di sostegno, fondato su pali trivellati e ancorato mediante tiranti al versante roccioso. Le fondazioni, scelte in funzione del terreno presente, sono pertanto di tipo profondo. Il dimensionamento del muro, deriva da verifiche di stabilità dello stesso a ribaltamento, scorrimento e schiacciamento, in funzione della spinta del terrapieno a monte, calcolata secondo il metodo di Culmann e tenendo conto di sovraccarichi permanenti, accidentali e sismici, in 18 combinazioni diverse, secondo gli Stati Limite Ultimi e di Esercizio, così come previsto dagli Eurocodici. Dal punto di vista statico, il muro di sostegno viene considerato come una trave a sbalzo, in cui gli elementi di struttura da verificare sono le solette a mensola sporgenti dal nodo di attacco della parete di elevazione con la suola di fondazione. I carichi da prendere in considerazione sono sulla parete, sulla fondazione a valle e su quella a monte; pertanto le tre mensole sono sottoposte a sollecitazioni di flessione e taglio e, in funzione di queste, sono state calcolate le relative percentuali di armatura. 6 - SCHEMA STRUTTURALE Gli scarichi sui pali vengono determinati mediante il metodo delle rigidezze, secondo cui la piastra di fondazione viene considerata infinitamente rigida (3 gradi di libertà) ed i pali vengono considerati incastrati o incernierati a tale piastra. Allora per ciascun palo viene effettuata un'analisi elastoplastica incrementale (tramite il metodo degli elementi finiti) che, tenendo conto della plasticizzazione del terreno, calcola le sollecitazioni in tutte le sezioni del palo e, in funzione di queste le relative armature. durabilita delle opere in CalCestruzzo Secondo quanto stabilito dalle NTC (D.M ) le strutture, ricadenti in classe 1 di vita utile (50 anni), sono state realizzate valutando preliminarmente le condizioni di aggressività ambientale del sito (classe di esposizione) al fine di adottare tutti i provvedimenti atti a limitare gli effetti di degrado delle strutture sia per quanto attiene le parti in elevazione che le parti interrate. In particolare le prescrizioni hanno riguardato le caratteristiche del calcestruzzo da impiegare, i valori del copriferro e le regole di maturazione. Per questa tipologia di struttura le fonti di degrado sono ascrivibili: alla corrosione delle armature promosse della carbonatazione del calcestruzzo ad opera della CO2 presente nell aria (cl. esp. XC), ed alla ben più seria e grave azione degradante dovuta alla presenza dei solfati nel terreno (cl. esp. XA). Le reazioni chimiche promosse dal solfato, infatti, possono determinare fessurazioni, rigonfiamenti e forti espulsioni di parti consistenti di calcestruzzo in tempi relativamente brevi. Per quanto non siano state eseguite delle misure dirette del contenuto di solfati presenti nel terreno, il carattere litologico unitamente ai su citati aspetti idrogeologici ha suggerito l adozione di una classe di esposizione ambientale particolarmente severa sia per le strutture interrrate (XC2+XA3), a diretto contatto con il terreno solfatico, sia per le strutture di contenimento in elevazione, soggette al 12

6 contatto diretto con acque solfatiche che permeano il terreno (XC4+XA3). La normativa adottata per l individuazione dei requisiti minimi composizionali del calcestruzzo è stata la norma UNI EN 11104:2004 (vedi tabelle 1 e 2). In base alla suddetta normativa i requisiti minimi imposti al calcestruzzo destinato alle opere di contenimento in elevazione sono: Mentre i requisiti minimi per il calcestruzzo per le opere di fondazione interrate (pali in opera e tiranti) sono: leganti ad alta resistenza ai solfati Il processo degradante del calcestruzzo in presenza di solfati può essere ricondotto ad una serie di reazioni chimiche che avvengono tra i componenti del cemento idratato e i solfati presenti nelle acque o nel terreno che riescono a penetrare all interno della matrice cementizia. Reazione 1 Idrossido di calcio (nella pasta) + solfati + acqua Æ gesso (espansione nel cls) Reazione 2 Alluminati idrati (nella pasta) + gesso Æ ettringite (espansione nel cls) Queste reazioni portano alla formazione di composti (gesso ed ettringite), assai più voluminosi dei componenti originari che quindi possono causare fessurazioni, di espulsioni di parti di calcestruzzo e disallineamenti delle strutture, ecc.. La salvaguardia delle strutture in c.a. da questo tipo di degrado, si consegue principalmente in due modi: n impiego di leganti chimicamente meno vulnerabili; n adozione di un basso rapporto acqua/legante al fine di ottenere una matrice il meno permeabile possibile. La resistenza al solfato del cemento Portland è inversamente proporzionale al contenuto di alluminato tricalcico. Tale componente è uno dei quattro principali costituenti del clinker di cemento. La gran parte degli alluminati idrati che si formano a seguito dell idratazione del cemento, hanno origine proprio dall idratazione dell alluminato tricalcico. Riducendo quindi la percentuale di questo costituente mineralogico nel cemento, diminuiscono gli alluminati idrati che possono essere coinvolti nella reazione deleteria con il solfato che porta alla formazione di ettringite. 13

7 7 - Getto dei pali di fondazione in calcestruzzo autocompattante. In generale un cemento è tanto più resistenze ai solfati tanto meno è la percentuale di alluminato tricalcico che lo costituisce. La normativa italiana (UNI 9156) distingue tre differenti classi di cementi resistenti ai solfati denominate MRS, ARS e AARS rispettivamente a media, alta e altissima resistenza ai solfati. Per quanto anche per i cementi tipo III, IV e V valgano le suddette considerazioni, è importante sottolineare che queste tipologie di cementi sono intrinsecamente più resistenti all aggressione del solfato rispetto un comune cemento portland per la minore percentuale di idrossido di calcio disponibile (reazione pozzolanica). La resistenza ai solfati del calcestruzzo può essere ulteriormente migliorata introducendo nella miscela una particolare tipologia di aggiunta pozzolanica denominata fumo di silice. Esso si presenta in forma di particelle sferiche circa 100 volte più piccole di quelle del cemento. costituite quasi esclusivamente da silice amorfa. Il fumo di silice aggiunto agli impasti in ragione del 7-12% permette il raggiungimento di prestazioni del calcestruzzo allo stato indurito di gran lunga superiori rispetto quelle ottenibili con altre aggiunte altrettanto note, come le ceneri volanti. Grazie alle ridottissime dimensioni, le particelle di fumo di silice vanno ad occupare gli spazi liberi tra i granuli di cemento in corso di idratazione (azione fisica) creando una struttura estremamente compatta e poco permeabile. La elevata pozzolanicità, e cioè la capacità di reagire con l idrossido di calcio a formare il C-S-H (il medesimo prodotto che si forma per reazione del cemento con l acqua, che causa l indurimento del sistema) contribuisce ulteriormente alla riduzione della porosità con il procedere del tempo (azione chimica). La sottrazione dell idrossido di calcio proveniente dall idratazione del cemento inoltre, così come avviene per i cementi tipo II, IV e V, ne riduce la sensibilità verso i solfati (vedi reazione 1). Il risultato è un calcestruzzo praticamente impermeabile capace di resistere ai più severi attacchi chimici.

8 lavorabilita del CalCestruzzo La scelta della lavorabilità dei cls è stata operata considerando i seguenti aspetti: n elevata percentuale di armatura n casseratura con casseforme in legno non a tenuta per le strutture in elevazione n compattazione con vibratore ad ago per il cls nelle strutture in elevazione n assenza di mezzi di vibrazione per i getti delle strutture di fondazione n tempo di percorrenza medio dall impianto di betonaggio al cantiere 30 n tempo massimo presunto di attesa della betoniera in cantiere Sulla base di tali considerazioni, il progettista di concerto con l impresa esecutrice su suggerimento della D.L. hanno prescritto due differenti tipologie di calcestruzzo. Un calcestruzzo a consistenza S4 (slump compreso tra 160 e 210 mm) per le strutture in elevazione (N-CA1) e un calcestruzzo a consistenza autocompattante per i pali di fondazione (SCC-CA2). Per tutti i calcestruzzi è stato richiesto un tempo di lavorabilità di 1 ora in condizioni estive (T = 30 C circa). prequalifica delle ricette di CalCestruzzo La prequalifica degli impasti di calcestruzzo, effettuatasi presso un laboratorio prescelto dalla D.L., si è resa necessaria in quanto, data la difficile reperibilità di un cemento tipo AARS ad altissima resistenza ai solfati, su proposta del servizio tecnico del produttore di calcestruzzo di concerto con il progettista e su approvazione della D.L. e dello stesso committente si è fatto ricorso ad un cemento tipo ARS ad alta resistenza a solfati (proveniente dalla cementeria di Cadola Buzzi Unicem) unitamente all impiego di un aggiunta di tipo II ad altissima reattività pozzolanica (fumo di silice), ed un bassissimo rapporto a/c inferiore a 0,35. Il calcestruzzo fornito è stato quindi un calcestruzzo a composizione richiesta in accordo alla UNI EN 206-1, previsto dalla norme tecniche. Le prove di prequalifica hanno permesso di trasformare i requisiti composizionali (rapporto a/c, dosaggio di cemento, dosaggio di additivo, etc.) in requisiti prestazionali (resistenza caratteristica, lavorabilità al getto, etc.). In particolare avendo introdotto il requisito aggiuntivo di un più basso rapporto a/c (< 0.35) rispetto alle indicazione di norma (tabb. 1,2), è stato necessario produrre una documentazione attestante una correlazione a/c-rc al fine di definire il valore della resistenza caratteristica del cls da utilizzarsi per i controlli di accettazione data la pratica impossibilità di misurare il valore del rapporto a/c del cls allo stato indurito. Relativamente alla scelta del progettista e D.L. in merito alla composizione del calcestruzzo, essa trova ampia giustificazione in base al principio di prestazione equivalente richiamato dalle normative europee suffragato dalla vasta letteratura [4,5,6,7] che attesta come l aggiunta di fumo di silice unitamente all adozione di un basso rapporto a/c riduce drasticamente la permeabilità del calcestruzzo e di conseguenza la sua vulnerabilità nei confronti degli agenti aggressivi esogeni. Sulla base delle suddette considerazioni, di seguito vengono riportate le prescrizioni di capitolato relative alle materie prime, al calcestruzzo e alla struttura. prescrizioni di Capitolato per gli ingredienti utilizzati per il Confezionamento dei Conglomerati n Acqua di impasto conforme alla UNI EN 1008 n Additivo superfluidificante (tipo ADDIMENT COMPACTCRETE 39/T75) conforme ai prospetti 3.1 e 3.2 della norma UNI EN n Aggregati provvisti di marcatura CE conformi alle norme UNI EN e con massa volumica media del granulo non inferiore a 2600 kg/m3. n Tipo di cemento ARS conforme alla norma UNI EN e alla UNI9156 (tipo CEM II/A-LL ARS classe 42,5 R proveniente dalla cementeria di Cadola (Buzzi Unicem spa) n Fumi di silice (tipo ADDIMENT STARKZEMENT 1/D) conformi alla norma UNI EN parte 1 e 2 15

9 mix-design dei CalCestruzzi e dossier di prequalifica In considerazione delle esigenze strutturali e di durabilità si sono impiegate due differenti tipologie di miscele di calcestruzzo: Sulla base dei risultati ottenuti dalle prove di prequalifica è possibile definire le prescrizioni di capitolato relativamente ai conglomerati cementizi come segue: Tabella 3 - Dossier di prequalifica Tabella 4 - Proporzionamento delle ricette di calcestruzzo 16

10 ConClusioni Il problema creato dall'evento calamitoso dell'aprile 2009 è stato affrontato con giusto riguardo ai vari passaggi che la situazione richiedeva. Lo studio geologico ha consentito di valutare la situazione del terreno e delle rocce coinvolte nel movimento franoso e creare le premesse per un adeguato intervento di consolidamento con particolare riguardo al numero di pali e di tiranti e alla posizione della palificata su cui erigere il muro di contenimento. Oltre alla progettazione ingegneristica, particolare attenzione è stata data alla progettazione del materiale calcestruzzo in considerazione dei pericoli derivanti dall'attacco solfatico, operando su due fronti: l uso di cemento ad alta resistenza ai solfati e l impiego di fumo di silice. Giusto peso si è dato, per avere una corretta messa in opera, anche alla classe di consistenza del calcestruzzo, arrivando a formulare per i getti interrati la classe SCC. E importate sottolineare che il ricorso alla prescrizione di un calcestruzzo a composizione richiesta facente uso di cemento tipo ARS in combinazione a fumo di silice, in deroga all impiego di cemento tipo AARS (indicato dalla normativa di riferimento UNI EN 11104), è stato possibile grazie alla competenza tecnica oltre che del progettista e D.L. anche dello stesso committente in grado responsabilmente di approvarne l applicazione sulla base del concetto di prestazione equivalente insito all interno delle normative tecniche in tema di durabilità del calcestruzzo. E altresì chiaro che questo tipo di approccio trova giustificazione solo in casi particolari come questo, in cui non era disponibile uno dei componenti (il tipo di cemento) imposti dalla normativa di riferimento (UNI EN 11104). Nella pratica comune assai più agevole è invece il ricorso alla prescrizione di un calcestruzzo a prestazione garantita (in questo caso la durabilità) il cui mix design è affidato alla competenza del produttore di calcestruzzo. Infine un ringraziamento va dato a tutti quanti hanno collaborato alla buona riuscita di questo intervento di consolidamento, sperando che questa sintesi possa essere utile per future esigenze. Tabella 5 - Prescrizioni di capitolato BiBliografia [1] UNI EN Calcestruzzo: Specificazione, prestazione, produzione e conformità, Istruzioni complementari per l applicazione della EN 206-1, Marzo [2] Linee guida per la prescrizione delle opera in c.a. a cura di PROGET- TO CONCRETE, Settembre 2007, edito da Il sole 24 Ore. [3] L. Coppola, Concrete Tender, Bergamo [4] I. Pigni, Impiego di fumi di silice nei calcestruzzi. Aspetti tecnologici e normativi : In Concreto, n. 17/1998. [5] S. Tavano, M. Berra Proprietà di miscele cementizie contenenti fumo di silice condensato :, Il cemento, n. 4/1986. [6] A. Borsoi, S. Collepardi, L. Coppola, R. Troli, and M. Collepardi, Sulfate Attack on Blended Portland Cements, Proceedings del Fifth CANMET/ACI International Conference on Durability of Concrete, Barcellona, Spain, 4-9 Giugno 2000, pp [7] M. Collepardi, Ettringite Formation and Sulfate Attack on Concrete, Proceedings of Fifth CAN- MET/ACI International Symposium on Recent Advances in Concrete Technology, Singapore, 29 July - 1 August 2001, SP 200, pp [8] Relazione tecnica Studio geotecnico - O. Costagli (2009). 17

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