Modellazione numerica avanzata dell interazione tra gallerie urbane e strutture esistenti

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1 PROGETTO DI RICERCA E PIANO DELLE ATTIVITÀ Titolo del progetto di ricerca: Modellazione numerica avanzata dell interazione tra gallerie urbane e strutture esistenti 1. Stato delle conoscenze La valutazione del potenziale danno arrecato agli edifici interagenti con lo scavo di gallerie è stata spesso condotta in passato ammettendo che le deformazioni del terreno e della struttura fossero disaccoppiati, cioè assumendo per il terreno la stessa risposta alla realizzazione dell opera osservata in condizioni di campo libero. In tali condizioni, i cedimenti in superficie sono ben approssimati da una distribuzione gaussiana (Peck, 1969), mentre gli spostamenti orizzontali vengono stimati ammettendo che i vettori di spostamento puntino verso l asse della galleria (O Reilly and New, 1982). Il livello di danno è classificato in funzione di valori limite della deformazione di trazione indotta nella struttura in interazione con lo scavo (Burland et al., 1977; Boscardin e Cording, 1989) ed è correlato ai cedimenti di campo libero ammettendo che la struttura segua la conca di subsidenza generata dalla costruzione della galleria in superficie. L approccio disaccoppiato, trascurando del tutto le caratteristiche di rigidezza e di peso della struttura interagente con l opera di scavo, dà luogo a scenari di danno non realistici e, spesso, troppo cautelativi. La rigidezza strutturale viene tenuta in conto per la prima volta da Potts e Addenbrooke (1997) in uno studio parametrico agli elementi finiti in cui la struttura è schematizzata mediante una trave equivalente priva di peso. Franzius (2003) estende questa ricerca includendo in un modello numerico tridimensionale il peso della struttura, ancora una volta semplificata. 1

2 L uso di approcci agli elementi finiti è oggi assai diffuso nell ambito degli studi di interazione terreno-struttura; tuttavia, la realisticità della soluzione numerica dipende fortemente da numerosi fattori, tra i quali la discretizzazione bidimensionale (2D) o tridimensionale (3D) del problema analizzato (Kasper e Meschke, 2004), la simulazione delle fasi costruttive della galleria (Möller e Vermeer, 2008), le ipotesi costitutive adottate per descrivere il comportamento meccanico del terreno (Gonzales et al., 2012), la descrizione geometrica e meccanica delle strutture (Melis e Ortiz, 2003; Rampello et al., 2012). Solo di recente, la ricerca si è orientata verso una più dettagliata definizione del modello di struttura da accoppiare al terreno in analisi numeriche avanzate. Particolare enfasi è stata data all interazione tra lo scavo e le strutture in muratura nell ambito di simulazioni 2D (e.g. Amorosi et al., 2014) e 3D (e.g. Giardina et al., 2010). Meno studiato, ma non meno importante, è il caso relativo all interazione con strutture in cemento armato (Son e Cording, 2011; Fargnoli et al., 2015), anch esse presenti in maniera significativa all interno del patrimonio edilizio dei centri urbani italiani. 2. Descrizione del programma tecnico-scientifico: obiettivi e risultati attesi La realizzazione di gallerie in area urbana, pur necessaria per dotare i nostri centri abitati di infrastrutture di trasporto e di mobilità, soffre spesso di costi elevati e tempi di realizzazione lunghi a causa dei vincoli imposti dalle preesistenze archeologiche e dall interazione con le costruzioni esistenti. La disponibilità di strumenti affidabili per la previsione dei possibili dissesti indotti dallo scavo sulle strutture esistenti è, quindi, essenziale sia in fase progettuale sia per la messa a punto di eventuali misure di mitigazione. Il presente progetto di ricerca si propone di estendere l uso di nuovi approcci, sviluppati e validati di recente (Fargnoli et al., 2015), per la valutazione del danno indotto sulle strutture 2

3 dallo scavo di gallerie in area urbana, prendendo a riferimento rilevanti casi di studio (e.g. la costruzione della Linea 4 della Metropolitana di Milano) per i quali si dispone delle misure del monitoraggio geotecnico e strutturale. L attività di ricerca muove dalla modellazione del comportamento meccanico dei terreni e delle strutture e dalla simulazione del processo di scavo meccanizzato con tecnologia EPB, per arrivare all analisi numerica tridimensionale dell intero processo di interazione tra scavo, terreno e strutture di superficie mediante specifici codici di calcolo agli elementi finiti. L'obiettivo generale di questo progetto di ricerca è l estensione e l ottimizzazione dei metodi attualmente disponibili per la previsione del danno indotto sulle strutture esistenti dallo scavo meccanizzato di gallerie in area urbana, così da favorire la definizione di adeguati strumenti di prevenzione, intervento ed eventuale mitigazione. Lo scopo finale dell'attività è quello di fornire, sulla base dei risultati scientifici prodotti dalla ricerca svolta, indicazioni di carattere applicativo che possano essere adottate nella pratica progettuale e costruttiva di questa classe di opere, a beneficio delle imprese che operano nel settore dello scavo di gallerie in sotterraneo. Questi obiettivi saranno perseguiti attraverso l'adozione di procedure avanzate di analisi numerica del problema, rese più significative dalla disponibilità di una quantità rilevante di dati sperimentali raccolti o da raccogliere nel corso della costruzione di alcune importanti opere in vera grandezza. La ricerca beneficerà dell interazione con l impresa ASTALDI, una tra le più rappresentative in ambito nazionale ed internazionale per quanto attiene alla realizzazione delle opere di ingegneria civile qui discusse. I risultati del progetto, in termini di approccio di analisi computazionale e di linee guida per la previsione del danno indotto dallo scavo, potranno essere impiegati come strumenti di simulazione e controllo, con un impatto significativo sulla progettazione e la realizzazione di gallerie in ambiente urbano. 3

4 3. Piano delle attività Di seguito sono elencate le principali attività previste dal progetto di ricerca: ATTIVITÀ I: analisi di casi di interazione tra la costruzione di linee metropolitane in area urbana (e.g. Linee 4 della Metropolitana di Milano) ed edifici esistenti messi a disposizione dall impresa ASTALDI. ATTIVITÀ II: descrizione del comportamento meccanico del terreno mediante modelli costitutivi avanzati, già implementati o da implementare nei codici di calcolo adottati nel progetto (PLAXIS 3D), da calibrare sulla base di prove eseguite in situ e in laboratorio sui materiali interessati dalla realizzazione delle gallerie. ATTIVITÀ III: modellazione di dettaglio di edifici in cemento armato su fondazioni superficiali continue e discontinue finalizzata ad una indagine parametrica della risposta strutturale osservata per campi di spostamento di differente entità, generati dalla simulazione numerica tridimensionale dello scavo meccanizzato. ATTIVITÀ IV: definizione di una procedura per la stima e quantificazione del danno indotto dallo scavo delle gallerie sulla base dell analisi delle deformazioni osservate in strutture di differente tipologia all avanzare del processo di costruzione dell opera. ATTIVITÀ V: applicazione del metodo generale definito nell ambito delle ATTIVITÀ III e IV, anche come strumento di previsione, a specifici casi di interazione terreno-struttura resi disponibili dall impresa ASTALDI e analizzati nell ambito dell Attività I. ATTIVITÀ VI: redazione di un documento di sintesi dei risultati conseguiti a conclusione delle attività del progetto, utile a formalizzare l approccio tecnico alla ideazione, progettazione e realizzazione di gallerie in area urbana. 4

5 Bibliografia Amorosi A., Boldini D., de Felice G., Malena M. e Sebastianelli M. (2014). Tunnelling induced deformation and damage on historical masonry structures. Géotechnique, 64(2): Boscardin M. e Cording E. (1989). Building response to excavation-induced settlement. ASCE Journal of Geotechnical Engineering, 115(1): Burland J., Broms B.B. e de Mello V.F.B. (1977). Behaviour of foundations and structures. In Proc. 9th Int. Conf. Soil Mech. and Found. Eng., vol. 2, pp Fargnoli V., Gragnano, C.G., Boldini D. e Amorosi A. (2015). 3D numerical modelling of soil-structure interaction during EPB tunnelling. Géotechnique, 65(1): Franzius J.N. (2003). Behaviour of buildings due to tunnel induced subsidence. PhD dissertation, Department of Civil and Environmental Engineering, Imperial College, University of London. Giardina G., Hendriks M.A.N. e Rots J.G. (2010). Numerical analysis of tunnelling effects on masonry buildings: the influence of tunnel location on damage assessment. Advd. Mater. Res. pp , Gonzalez N.A., Rouainia M., Arroyo M. e Gens A. (2012). Analysis of tunnel excavation in London Clay incorporating soil structure. Géotechnique 62(12): , Kasper T. e Meschke G. (2004). A 3D finite element simulation model for TBM tunnelling in soft ground. Int. J. Numer. Anal. Methods Geomech., 28(14): Melis M.J. e Ortiz R. (2003). Consideration of the stiffness of buildings in the estimation of subsidence damage by EPB tunnelling in the Madrid Subway. Proc. int. conf. on response of buildings to excavationinduced ground movements, CIRIA Special Publication, London, 199, pp Möller S.C. e Vermeer P.A. (2008). On numerical simulation of tunnel installation. Tunnelling and Underground Space Technology, 23: O Reilly M.P. e New B.M. (1982). Settlements above tunnels in the United Kingdom their magnitude and prediction. Tunnelling 82, London, IMM, pp Peck R.B. (1969). Deep excavations and tunnelling in soft ground. Proceedings of the 7th international conference on soil mechanics and foundation engineering, Mexico City, pp Potts D.M. e Addenbrooke T.I. (1997). A structure s influence on tunnelling-induced ground movements. Proc. Institution of the Civil Engineers, Geotechnical Engineering, 125(2): Rampello S., Callisto L., Viggiani G. e Soccodato F.M. (2012). Evaluating the effects of tunnelling on historical buildings: the example of a new subway in Rome. Geomechanics and Tunnelling, 5(3): Son M. e Cording E.J. (2011). Responses of buildings with different structural types to excavation-induced ground settlements. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 137(4):