Dimensionamento di barriere paramassi a rete. Claudio Oggeri, Daniele Peila, Alessandro Valfrè

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1 14100 ASTI - Via del Lavoro, Tel Fax safegeotec@iol.it - info@safegeo.it Dimensionamento di barriere paramassi a rete Claudio Oggeri, Daniele Peila, Alessandro Valfrè Estratto dalla rivista lestrade - Anno CVIII - Ottobre 2006 Casa Editrice la fiaccola srl Via Conca del Naviglio Milano

2 Dimensionamento di barriere paramassi a rete La progettazione di interventi con barriere paramassi a rete ha fatto un grande passo avanti con l uso sistematico delle prove sperimentali in vera grandezza per la certificazione di comportamento. Queste prove sono ormai entrate nella prassi corrente e la loro applicazione è stata recepita e normata nella linea guida EOTA recentemente pubblicata. D altro canto la progettazione, il controllo in corso d opera ed il collaudo degli interventi richiedono che le barriere vengano anche verificate mediante adeguati calcoli strutturali che tengano conto della esatta geometria di montaggio in sito, che può essere differente da quella sulla quale è stata eseguita la sperimentazione. L uso di modellazioni numeriche agli elementi finiti, in quest ottica, offre al progettista un potente strumento in quanto, se adeguatamente tarato sulla base delle risultanze sperimentali, consente di studiare con precisione l effetto dell impatto dinamico dei blocchi. L articolo presenta ed illustra sia i risultati ottenuti da una ricerca sviluppata dal DITAG del Politecnico di Torino, in collaborazione con la SAFE S.r.l. di Asti, per la modellazione del comportamento di una barriera paramassi, sia le potenzialità delle modellazioni numeriche a supporto delle attività di progettazione, direzione lavori e collaudo. Claudio Oggeri e Daniele Peila DITAG, Politecnico di Torino Alessandro Valfrè SAFE Srl, Asti Le barriere paramassi a rete esplicano la loro funzione arrestando un blocco roccioso in movimento lungo un versante mediante l azione combinata di tutti gli elementi strutturali che le costituiscono e trasferendo alle fondazioni dei controventi e dei montanti le forze di arresto. I connessi fenomeni meccanici sono stati ampiamente indagati con sperimentazioni in vera grandezza realizzate in vari campi prova a geometria inclinata o a geometria verticale. Al riguardo, recentemente è stata approvata in sede europea una linea guida di Benestare Tecnico Europeo ETAG 027 sulle barriere paramassi a rete che descrive le procedure e le prove in vera grandezza che devono essere realizzate per la marcatura CE di questi prodotti [Peila D. (1998) - Linee Progettuali per barriere paramassi a rete, MIR VII Ciclo di Conferenze di Meccanica e Ingegneria delle Rocce, Torino, Patron, pp ; Peila D., Oggeri C. e Baratono P., a Rete, GEAM, quaderni di studi e documentazione, 2006, in corso di stampa]. In maggior dettaglio, i parametri che descrivono le caratteristiche geometriche e le condizioni di funzionamento di una barriera paramassi sono: l energia che la barriera è in grado di dissipare arrestando il blocco. Secondo le linee guida ETAG i livelli energetici che caratterizzano una barriera paramassi sono: l energia cinetica massima posseduta da un masso omogeneo e regolare che impatta contro la barriera ad una velocità superiore a 25 m/s e che la barriera è in grado di arrestare, denominata MEL: Maximum Energy Level e l energia cinetica, pari a 1/3* MEL, denominata SEL: Service Energy Level, che corrisponde all energia che la barriera è in grado di dissipare arrestando il blocco se sottoposta a due lanci successivi di blocchi animati da una velocità superiore a 25 m/s senza alcuna manutenzione tra un lancio a l altro e senza che, dopo il primo impatto, l altezza della barriera sia scesa al di sotto del 70% dell altezza iniziale; l altezza residua della barriera dopo l impatto e l altezza di riferimento della barriera come montata nel campo prove, definita come la distanza tra la fune longitudinale superiore e la fune longitudinale inferiore, misurate entrambe rispetto al medesimo piano di riferimento; LE STRADE 10/2006

3 il massimo spostamento del blocco verso valle durante l impatto MEL; l altezza di montaggio della barriera in sito che corrisponde alla massima altezza di intercettazione quando la barriera è montata ortogonalmente al pendio reale; la geometria di montaggio della barriera sia nelle condizioni di prova sia in sito, in quanto le locali caratteristiche del terreno richiedono talora condizioni di montaggio specifico. È ormai assodato che solo con prove in vera grandezza è possibile verificare il comportamento reale di una barriera paramassi a rete, ma è importante osservare che le prove costituiscono anche la base sperimentale con la quale tarare le verifiche di calcolo strutturale che devono necessariamente essere sviluppate per una corretta progettazione. Per lo sviluppo di questa verifica di calcolo, stante la complessità del problema, non si può prescindere, per tarare adeguatamente i modelli, dal confronto dei risultati dei calcoli con le evidenze sperimentali. L esigenza di sviluppare adeguati calcoli strutturali discende dal fatto che una barriera paramassi a rete è una struttura metallica, e come tale deve essere strutturalmente verificata, sulla base della normativa vigente, nelle condizioni di esercizio (cioè quando esplica la propria azione durante un impatto) e nella specifica geometria di montaggio in sito, se questa differisce in modo significativo da quella adottata per le prove sperimentali; è cioè necessario verificare che lo stato tensionale agente nelle funi, nei montanti e sulle fondazioni durante l impatto, sia sempre compatibile con i valori indicati nella normativa vigente. [Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti - Decreto 14 settembre Norme tecniche per le costruzioni, Supplemento Ordinario n. 159 alla GU n. 222 del 23 settembre 2005.]. Per l esecuzione di questi calcoli sono stati originariamente proposti ed adottati metodi pseudo-statici nei quali, conoscendo la massima deformata durante l impatto al livello energetico MEL, veniva valutata la forza massima di arresto, pari a 2.5 volte la forza teorica media [Peila D., Pelizza S., Sassudelli F., Evaluation of behaviour of rockfall restraining nets by full scale tests, Rock Mechanics, Springer- Verlag, Wien, 1, pp. 1-24, 1998], e, sulla base della geometria della barriera deformata dall impatto, la forza massima agente era ripartita con semplici considerazioni di scomposizione vettoriale nei vari elementi strutturali [Peila D. (1996) - Uso di prove in vera grandezza per il dimensionamento delle barriere paramassi, Giornata di Studio su La protezione contro la caduta massi dai versanti rocciosi, Torino, GEAM, Torino, pp ; Peila D., Oggeri C., Frenez T. (2001) - Linee progettuali per barriere paramassi a rete - Conv. Int. Opere di difesa contro la caduta massi, GEAM, pp ]. L evoluzione dei metodi di calcolo consente ora di utilizzare approcci ad elementi finiti in campo dinamico, da tempo patrimonio dell ingegneria meccanica (in particolare dei settori inerenti le carrozzerie di veicoli a motore), i quali sono in grado di gestire numericamente sia il contatto tra gli elementi strutturali della barriera ed il blocco, sia le grandi deformazioni conseguenti; lo stesso vale anche per i metodi alle differenze finite; tali metodologie sono applicabili non solo per studi e ricerche, ma anche direttamente nella fase progettuale, superando le limitazioni degli approcci semplificati, e consentendo di prendere in considerazione anche l azione dei dissipatori, la deformabilità della rete, lo scorrimento delle funi ed altri fattori che è invece impossibile prendere in conto nell approccio pseudo-statico. La modellazione agli elementi finiti è idonea per verificare strutturalmente la barriera anche in condizioni di impatto con geometrie particolari, come l impatto su di un montante, l impatto nella parte superiore del pannello di rete, nella campata estrema di uno stendimento, o particolari condizioni di mon- 1. Vista d insieme della barriera paramassi tipo B1000, nell installazione del campo prove di Meano (TN) 1 10/2006 LE STRADE

4 2. Sezione della barriera paramassi B1000 nella configurazione del campo prove 3. Assonometria del modello FEM della barriera paramassi B1000 vista da monte 2 3 taggio, come per esempio allineamenti composti soltanto da due campate o barriere montate a mensola [Peila D. & Oggeri C. (2006) - Barriere paramasi a rete: tecnologia e criteri progettuali, GEAM, Quaderni di studio e documentazione. N. 25, Torino, pp. 102]. Tali situazioni non vengono usualmente verificate nei campi prova, ma possono sia presentarsi nell arco della vita lavorativa dell opera, sia rendersi necessarie come conseguenza di particolari condizioni morfologiche dei versanti. Per consentire un adeguata scelta da parte delle stazioni appaltanti ed un controllo in corso d opera da parte dei professionisti a ciò preposti, quali il direttore dei lavori ed il collaudatore, delle varie tipologie di barriera paramassi a rete disponibili sul mercato, nonchè per il corretto dimensionamento delle fondazioni e degli ancoraggi dei controventi e delle funi longitudinali, è necessario che ogni tipologia di barriera paramassi a rete sia corredata da una relazione di accompagnamento che fornisca: le caratteristiche tecniche e gli aspetti tipologici della barriera (tipologia dei montanti, posizionamento e diametro delle funi, tipologia e ubicazione dei dissipatori, tipo di rete utilizzata, ecc.), in modo tale che la Direzione Lavori ed i Collaudatori possano agevolmente verificare le caratteristiche meccaniche e tecniche del prodotto installato; la descrizione del modello di calcolo utilizzato per le verifiche strutturali. L uso di modelli numerici è preferibile in relazione alla grande complessità del problema dinamico. In particolare bisognerà riportare in modo chiaro le ipotesi di base, le approssimazioni assunte, le caratteristiche geometriche ed i parametri meccanico-fisici assegnati ai vari materiali costituenti gli elementi strutturali [CNR 10024/86]; la descrizione dettagliata della back-analysis che è stata realizzata per la validazione del modello di calcolo; in particolare sarà necessario confrontare: l andamento temporale ed i valori massimi della forza sviluppata sugli ancoraggi della barriera e sulle funi principali; i valori degli scorrimenti dei dissipatori; la massima deformata in senso montevalle e l altezza residua della barriera; la verifica strutturale della barriera nelle condizioni di utilizzo qualora queste siano molto difformi da quelle sottoposte a prova. Mediante questo calcolo dovrà essere evidenziato quali sono i campi geometrici ammissibili di montaggio della barriera (per esempio quali sono le variazioni ammissibili dell inclinazione dei controventi rispetto ai montanti) e per ogni possibile condizione di montaggio bisognerà ricavare i valori di forza agli ancoraggi, nonché la sollecitazione agente sulle funi, che deve essere compatibile con la normativa vigente; le prescrizioni da seguire in fase di collaudo, soprattutto per quanto concerne le condizioni di prova ed i dati acquisibili, per gli ancoraggi di prova, stanti le complessità operative che possono essere presenti per questi tipi di installazione. In questo lavoro, al fine di evidenziare le grandi potenzialità di questi metodi numerici, sono illustrate le verifiche realizzate per lo studio di una barriera paramassi a rete con energia MEL di 1000 kj, sviluppate nell ambito di un contratto di ricerca tra il Dipartimento di Ingegneria del Territorio dell Ambiente e delle Geotecnologie del Politecnico di Torino e la SAFE Srl, nonché nell ambito di un progetto di ricerca nazionale (PRIN _002 - unità di ricerca locale del DITAG del politecnico di Torino: protezione contro la caduta di massi aspetti tecnologici e progettuali). Lo studio è stato sviluppato realizzando un ampio numero di analisi numeriche agli elementi finiti in campo dinamico con il codice di calcolo Marc Mentat (2005, rel. 3). Il codice utilizzato è particolarmente adatto allo studio specifico in quanto permette di gestire i grandi spostamenti e le non linearità di comportamento meccanico che il contatto con il blocco inducono sugli elementi strutturali. LE STRADE 10/2006

5 SPECIFICHE TECNICHE DELLA BARRIERA PARAMASSI STUDIATA La barriera paramassi oggetto dello studio è un prodotto commerciale denominato B1000. Essa è stata progettata per intercettare blocchi in movimento con una energia MEL fino a 1000 kj ed è stata sottoposta ad una ampia e dettagliata compagna di prove sperimentali, mediante impatti normalizzati su un campo prove di tipo inclinato, finalizzata ad ottimizzarne le caratteristiche strutturali e di comportamento. La struttura di sostegno della rete è costituita da montanti realizzati con profilati metallici HEA 160, con altezza 4 m, vincolati a terra con una cerniera monodirezionale monte-valle; l interasse tra i montanti è pari a 10 m. Nella configurazione del campo prove la barriera è costituita da 3 campate e ha pertanto 4 montanti, che, nel seguito, saranno indicati nel seguente modo, osservando la barriera da monte verso valle: MES = montante esterno sinistro, MIS = montante interno sinistro, MID = montante interno destro e MED = montante esterno destro. La struttura di intercettazione è formata da una rete in anelli di diametro pari a circa 350 mm, in filo di acciaio, a sei punti di contatto; essa è connessa, lungo i suoi bordi superiore e inferiore, a due funi longitudinali perimetrali connesse al terreno ed a loro volta collegate ai montanti tramite passacavi che ne permettono lo scorrimento relativo. La testa dei montanti è connessa a funi di controvento di monte. Le funi longitudinali superiori e inferiori e di controvento sono provviste di dissipatori di energia. Tutte le funi sono ad anima metallica di tipo a trefoli con resistenza unitaria del filo elementare di 1770 N/mm 2. Gli elementi strutturali che sono stati modellati con il codice ad elementi finiti sono: i montanti, le funi longitudinali e dei controventi, la rete ed i dissipatori di energia. Tra gli elementi elencati, gli unici che hanno rigidezza torsionale sono i montanti, mentre gli altri sono in grado di opporsi solo a sforzi assiali di trazione. Nel modello numerico sono stati pertanto utilizzati due tipologie di elementi finiti: l elemento beam, utilizzato per descrivere il comportamento delle travi, che è un elemento definito da due nodi alle estremità, con 3 gradi di libertà per ogni nodo ed in grado di supportare sollecitazioni sia di sforzo normale, sia di taglio, sia di momento e l elemento truss, utilizzato per descrivere il comportamento delle funi, che è un elemento definito da 2 nodi alle estremità, in grado di supportare solo sollecitazioni assiali di trazione. Le piastre di ancoraggio dei montanti ed i vari elementi di collegamento e ancoraggio dei cavi fra loro e con il terreno (morsetti, redance, golfari, copiglie e spinotti di collegamento) non sono stati modellati in dettaglio, ma sono state utilizzate delle tipologie di connessione più semplici: per esempio gli ancoraggi delle funi al terreno sono stati modellati impedendo ai nodi relativi di traslare ma permettendo i tre gradi di libertà delle rotazioni, mentre le cerniere alla base dei montanti sono state modellate con snodi che permettono ai montanti solo una rotazione in direzione montevalle. La rete, costituita da anelli di fune, ha un comportamento reale molto complesso, a causa delle sue 4 4. Andamento delle sollecitazioni di trazione nel pannello centrale della rete dopo un tempo t=0.09 s dall impatto: si vede come le tensioni più elevate (gialle e rosse) si concentrano sulla fascia verticale del pannello passante per il punto di impatto del blocco 10/2006 LE STRADE

6 5. Sezione della barriera all istante t=0.1 s dall impatto del blocco 6. Sezione della barriera all istante t=0.2 s dall impatto del blocco 7. Sezione della barriera all istante t=0.6 s dall impatto del blocco stesse caratteristiche costruttive e nel modello è stata simulata come un intreccio di elementi truss a maglia quadrata, con lato di 20 cm, vincolati solidalmente gli uni agli altri alle estremità di ogni lato; il suo comportamento d insieme è stato tarato mediante una serie di simulazioni su pannelli di rete singoli, in modo da essere aderente alle risposte reali durante l impatto. I dissipatori di energia sono stati modellati con due elementi strutturali posti in parallelo: un elemento truss e una molla. Il primo elemento ha le stesse proprietà geometriche della fune cui il dissipatore è collegato e, al raggiungimento della forza di attivazione del dissipatore, può allungarsi, mentre la legge forza-spostamento della molla è tale da non esercitare alcuna azione in questa fase; solo quando si arriva all allungamento massimo interviene la molla, che blocca lo scorrimento. Back analysis di prove sperimentali Nel seguito viene illustrata e discussa la back analysis delle prove sperimentali, sia al livello energetico MEL che al livello energetico SEL, sviluppata per la corretta taratura del modello di calcolo. In entrambi i casi è stato possibile evidenziare un ottima corrispondenza tra i risultati del calcolo e le misurazioni sperimentali come riportato per il caso della prova MEL in tab. 1. Oltre al confronto tra i dati sperimentali e quelli calcolati numericamente, i modelli hanno consentito di verificare che le sollecitazioni nelle funi e nella rete non sono costanti, ma si evolvono nel tempo. Infatti inizialmente, nei primi 0.3s, l impatto induce sollecitazioni di trazione sulla rete lungo due fasce disposte a croce all interno del pannello centrale; successivamente le sollecitazioni si riducono in modulo e si ripartiscono in modo più omogeneo su tutta la rete (fig. 4). L ottima qualità dei risultati ottenuti con il modello numerico, se confrontati con le risultanze sperimentali, ha consentito di validare la qualità complessiva della modellazione anche per lo studio di condizioni di impatto particolari e non sperimentabili elementarmente sul campo prove. ANALISI DELLA BARRIERA IN PARTICOLARI CONDIZIONI GEOMETRICHE DI MONTAGGIO O DI IMPATTO DEL BLOCCO Il modello numerico sviluppato per la back analysis delle prove sperimentali è stato utilizzato per verificare le condizioni di comportamento e le sollecitazioni agenti in particolari condizioni di montaggio della barriera, con impatti del livello energetico MEL. In particolare sono state analizzate: l influenza di una variazione dell angolo tra il montante ed il controvento di monte, con un angolo relativo di 60 (analisi 1) e con un angolo di 45 (analisi 2), le condi- LE STRADE 10/2006

7 zioni di funzionamento di un allineamento composto da due campate (analisi 3), un impatto non centrato sul pannello di rete ma nella parte alta dello stesso (analisi 4), un impatto sul montante (analisi 5) ed un impatto su una barriera montata a mensola (analisi 6). I principali risultati ottenuti sono: la barriera ha sempre arrestato il masso con successo, mantenendo le sollecitazioni nelle funi che la costituiscono (in particolare le due funi longitudinali ed i controventi di monte) al di sotto dei valori ammissibili in tutte le condizioni di utilizzo studiate; gli sforzi negli elementi strutturali si sono mantenuti entro limiti accettabili anche se la barriera è costituita da due sole campate, oppure se l impatto avviene vicino al bordo superiore della rete; al ridursi dell ampiezza dell angolo tra montante e controvento di monte, lo sforzo che, in seguito all arresto del masso, va a scaricarsi sul controvento di monte stesso aumenta progressivamente; parallelamente si è osservato un aumento della deformazione massima della rete in senso monte-valle ed una riduzione della reazione massima sui due ancoraggi laterali, come conseguenza di una progressiva riduzione del carico agente sulla fune longitudinale inferiore. Nelle installazioni in sito pertanto il valore ottimale dell angolo tra montante e controvento di monte deve, per quanto possibile, mantenersi compreso tra 60 e 45. nel caso di impatto diretto sul montante la barriera ha arrestato il blocco con un significativo aumento della deformata verso valle. In questo specifico caso è stato necessario introdurre alcune semplificazioni di calcolo in relazione alla schematizzazione dell impatto del blocco contro gli elementi beam che costituiscono il montante; in particolare è stato eliminato sia il montante sia il controvento di monte, che comunque con buona probabilità verrebbero tranciati dal movimento del masso. Queste semplificazioni sono a favore di sicurezza, nello studio della ripartizione degli sforzi sui restanti elementi della barriera, in quanto il montante e il controvento interessati dall urto nel modello non danno alcun contributo alla dissipazione delle forze di arresto. Anche in questo caso il modello globalmente ha mostrato un buon comportamento della barriera, anche se la forza di picco nella fune longitudinale inferiore è risultata prossima al valore limite. nel caso di un montaggio a mensola la barriera paramassi modello B1000 ha mostrato di poter reggere ad un urto di energia pari a 1000 kj senza che alcun elemento superi i livelli di sollecitazione ammissibili per i propri elementi strutturali. Nelle tabelle seguenti sono riportate, per tutte le analisi condotte, le sollecitazioni massime registrate agli ancoraggi e nelle funi, a confronto coi valori limite stabiliti dalla normativa UNI-ISO /2006 LE STRADE

8 8. Simulazione relativa all impatto nella parte alta del pannello. Vista complessiva della barriera nella fase di arresto del masso e particolare della configurazione all istante iniziale 9. Fase di arresto del masso nella prova MEL effettuata al campo prove di Meano (TN) 8 Tipografia Abbiati Via Padova 5 - Milano Riproduzione Riservata 9 CONCLUSIONI Lo studio presentato evidenzia sia l importanza delle prove sperimentali per la certificazione di comportamento di barriere paramassi a rete sia la necessità di eseguire calcoli numerici per verificare le condizioni di montaggio della barriera sul sito. Poiché le barriere paramassi possono essere montate in modo difforme da quanto provato al vero (ad esempio una barriera provata con un montaggio a mensola può essere installata su un versante inclinato, oppure può presentare angoli tra i controventi e i montanti differenti da quanto provato, oppure ancora possono essere installate solo due campate mentre il prototipo provato ne presenta tre), è necessaria l esecuzione di verifiche di calcolo in grado di certificare che gli elementi strutturali della barriera siano sempre sollecitati in modo da rispettare le normative vigenti, in modo che sia il Direttore dei Lavori che il Collaudatore dell opera possano esplicare nel miglior modo possibile i ruoli a loro assegnati dalla normativa di riferimento. Queste verifiche devono essere condotte utilizzando i più moderni strumenti di calcolo e nel caso specifico l analisi tramite modelli numerici agli elementi finiti si è rivelata molto efficace, in quanto ha consentito di ottenere una ottima rispondenza tra simulazione e valori misurati nel corso delle prove e successivamente ha permesso una adeguata fase previsionale del comportamento della struttura quando essa venga sottoposta ad un impatto, consentendo di studiarne il comportamento in condizioni particolari, difficilmente riproducibili in campo prove (quali per esempio: impatto alto, impatto su montante, impatto nella campata laterale), nonché definire esattamente le condizioni di montaggio ammissibili nella realtà dei versanti naturali. LE STRADE 10/2006