di sviluppare quelle prerogative evidenziate nella nor-ma ed in passato, seguendo approcci totalmente pre-scrittivi, del tutto dimenticate. Mi riferisco in particola-re ai sistemi di facilitazione all’esodo, al miglioramentodella resistenza a fuoco delle strutture ed ai sistemi an-tincendio. In seguito verranno illustrate alcune di que-ste soluzioni progettuali.Un ruolo fondamentale tra le misure passive di facili-tazione dell’esodo degli utenti in galleria è rivestito dal-le misure di tipo strutturale, in particolare dalla resi-stenza al fuoco delle strutture.I calcestruzzi fibrorinforzati sia con fibre metalliche che

Il progetto della sicurezza di una galleria stradaleo ferroviaria deve prendere un chiaro riferimentolo studio dei fenomeni termo-fluido-dinamici con-

seguenti ad un incidente in galleria, per comprendere glieffetti sulla possibile popolazione esposta all’interno delcavo, in un determinato lasso di tempo per effetto delflusso veicolare caratteristico della infrastruttura.La concezione e la redazione dei progetti della sicu-rezza di molte gallerie nuove o esistenti hanno porta-to a sviluppare una grande quantità di soluzioni inno-vative. I campi in cui si è andati ad operare sonomolteplici, ma principalmente si è lavorato nell’ottica

12/2009 LE STRADE

2

Sicurezza

Gli elementiinfrastrutturaliper la facilitazionedell’esodo

Gallerie

Alessandro Focaracci Direttore TecnicoPrometeoengineering.it srl

PER TESTARE LA RESISTENZA AL FUOCO DELLE STRUTTURE DELLE GAL-LERIE DELLA FUTURA RETE METROPOLITANA DI ROMA - LINEA C - AFINE OTTOBRE SI È CONDOTTO UN ESPERIMENTO, UNICO AL MONDO,CHE HA PREVISTO L’INCENDIO DI UNA CASSA DEL VEICOLO METROPO-LITANO COME SARÀ NEL FUTURO ESERCIZIO. L’INCENDIO È STATO CON-DOTTO IN UNA GALLERIA SPERIMENTALE APPOSITAMENTE REALIZ-ZATA PRESSO LA SCUOLA DI VIGILI DEL FUOCO DI MONTELIBRETTI,UTILIZZANDO IN PARTE CONCI PREFABBRICATI E IN PARTE CALCE-STRUZZO GETTATO IN OPERA. L’ESPERIMENTO HA PERMESSO DI AC-QUISIRE TUTTI GLI ELEMENTI NECESSARI PER REALIZZARE UN PRO-GETTO INNOVATIVO DELLE STRUTTURE IN GALLERIA, QUALI DIRETTACONSEGUENZA DELLE PROVE REALIZZATE IN SCALA REALE. 1

fibrorinforzate, meglio conosciuti come FRC (FiberReinforced Concrete), sono calcestruzzi innovativi svi-luppatisi intorno agli anni settanta; essi in una situazio-ne di pericolo con incendio possono determinare un mi-glioramento delle caratteristiche di resistenza al fuoco.Infatti il concetto di inserire un rinforzo fibroso all’inter-no del materiale per migliorarne le prestazioni è piutto-sto antico. L’impiego di fibre corte discontinue distribui-te uniformemente all’interno della matrice cementizia,ha lo scopo di conferire al conglomerato una maggioreresistenza alla fessurazione e di conseguenza miglioriprestazioni in termini di durabilità, anche quando sotto-posti ad elevate temperature. Queste caratteristichedel calcestruzzo fibrorinforzato sono state utilizzate inuno studio su conci prefabbricati per la costruzione di gal-lerie attraverso lo scavo meccanizzato, in tutte le con-dizioni di carico a cui gli elementi prefabbricati sono sog-getti durante la loro vita nominale. La normativa italianarelativa alla sicurezza nelle gallerie stradali è costituitadal Decreto Legislativo 5 ottobre 2006, n. 264 "Attuazionedella direttiva 2004/54/CE in materia di sicurezza perle gallerie della rete stradale trans europea" di recepi-mento della citata direttiva. Per quanto riguarda il si-stema ferroviario il riferimento normativo è il Decreto delMinistero delle Infrastrutture e dei Trasporti 28/10/2005ed in ambito Europeo la Direttiva 2008/163/CE “sicu-rezza nelle gallerie ferroviarie nel sistema ferroviario trans-europeo convenzionale e al alta velocità”.L’impianto normativo individua l’incendio come eventoiniziatore e pone degli obiettivi da raggiungere per l’in-frastruttura e cioè: “L'integrità della struttura deve man-tenersi, in caso di incendio, per un periodo sufficiente-mente lungo per consentire l'autosoccorso e l'evacuazionedei passeggeri e del personale e l'intervento delle squa-dre di soccorso senza il rischio di crollo strutturale”.In tale contesto si inserisce l’esperimento d’incendio diuna cassa del veicolo delle Linea C della metropolita-na di Roma svoltosi presso la Scuola dei Vigili del Fuocodi Montelibretti, il quale ha permesso di acquisire tut-ti gli elementi necessari di tipo strutturale, impiantisti-co e di termo-fluido-dinamica, tali da poter realizzare

un progetto innovativo e mirato per le strutture in gal-leria in particolare per i conci prefabbricati, perchèdiretta conseguenza delle prove in scala reale effet-tuate.

ANALISI TENSO-DEFORMATIVEDI CONCI PREFABBRICATI PER GALLERIEIn riferimento alla costruzione di gallerie mediante con-ci prefabbricati realizzati in CLS con armatura diffusanell’intero volume, è stato realizzato uno studio sul lorocomportamento strutturale mediante l’analisi FEM(Metodo agli Elementi Finiti) dello stato tensionale edeformativo nelle diverse condizioni di carico a cui glielementi prefabbricati sono soggetti durante la loro vitanominale. Infatti, le azioni sui conci di una galleria de-rivano sia da situazioni transitorie quali le fasi di tra-sporto, processo di posa e la spinta dei martinetti, siada azioni permanenti quali la pressione del terreno incondizioni di esercizio o il carico incendio generatosia seguito di un evento incidentale (fig. 2).Le ipotesi applicate per mettere a punto il modello, si-mulano la geometria curva del concio e le condizioni divincolo, anche in corrispondenza del difetto di montag-gio, dove è stato modellato un appoggio cedevole a si-mulare il non perfetto accoppiamento tra i conci di unanello e quelli del successivo. Per quanto concerne la spin-ta si è optato di applicarla come carico distribuito sul bor-do del concio, studiando l’effetto di una sua variazioneper effetto di correzioni di guida della fresa. Il modello messo a punto è stato finalizzato ad indivi-duare possibili concentrazioni di sforzi ed a compren-dere quali siano i possibili effetti migliorativi che unaottimizzazione delle armature tipiche di queste strut-ture, potrebbe avere sulla distribuzione dello stato disforzo negli anelli di rivestimento. In particolare l’analisi delle fasi di lavorazione connes-se alla fase di esercizio evidenzia che le armature tra-dizionali disposte in maniera diffusa all’interno del con-cio prefabbricato non contrastano in maniera ottimalelo stato tensionale che viene a generarsi. In particola-re nelle fasi di, scassero, movimentazione stoccaggioe trasporto, lo stato tensionale è tipico di una flessio-ne semplice con carichi marginali rispetto a quelli dimontaggio e di esercizio, il momento resistente dellasezione armata in maniera tradizionale è molto supe-riore alla richiesta di prestazione. Una delle condizionidi carico particolarmente gravose è rappresentata dallaspinta dei martinetti per l’avanzamento della TBM. Inquesta situazione i conci sono sottoposti a carichi di no-

3

12/2009 LE STRADE

Galle

rie

1. Sperimentazioneincendio diMontelibretti.Galleria di prova conla cassa del veicolodella Linea C dellaMetropolitana diRoma

2. Condizioni dicarico analizzate

2

4

Gallerie

3a, 3b. Condizioni dispinta ideali.Rispettivamentedeformazioni etensioniperpendicolari alladirezione di spinta

4a, 4b. Condizioni dispinta con difetti dimontaggio.Rispettivamentedeformazioni etensioniperpendicolari alladirezione di spinta

5. Stato tensionaledovuto allaconcentrazione di unaforza di compressione

tevole intensità ed appoggiano in condizioni non ben de-finite a causa delle inevitabili irregolarità nel piano di posasull’anello precedente ed a eventuali difetti di montaggioprecedentemente citati.L’analisi ad elementi finiti (FEM) della fase di spinta incondizioni teoriche e quindi ottimali mostra come letensioni in direzione dell’asse della galleria siano tut-te di compressione, mentre nella direzione ortogona-le nascano delle zone di trazione concentrate nel latosu cui è applicata la spinta.Nel caso di assenza di difetti di montaggio, i valori ditensione che insorgono sono in generale compatibilicon le caratteristiche di resistenza dei materiali impie-gati, anche a fronte di spinte superiori a quelle di pro-getto; le compressioni rientrano entro i limiti dati dal-la classe di calcestruzzo impiegata e le trazioni, sempreinferiori da quelle previste dalla normativa, possonoessere agevolmente incassate dall’ armatura (fig. 3). In presenza di “difetti di montaggio” e/o con spinte fuo-ri norma, i valori delle tensioni, di compressione e tra-zione in corrispondenza del lembo a contrasto con l’a-nello precedente, si elevano per adattare il regimetensionale alla mancanza di una parte dell’appoggioe per incassare gli eccessi di spinta. I picchi di tensio-ne che si generano ai bordi della zona dove l’appoggioviene a mancare e cioè opposta a quella di spinta, pos-sono determinare l’insorgere e il propagarsi di fessu-razioni (fig. 4).

Tali considerazione suggeriscono di predisporre un’ ar-matura sul lato opposto a quello di spinta tale da con-trastare le sollecitazioni derivanti dalle fasi di montag-gio dell’anello (fig. 5).Un’ulteriore aspetto analizzato nella fase di spinta èquello della concentrazione della forza di compressio-ne su un’area ridotta rappresentata dalla piastra diripartizione dei martinetti. In tale area la forza di compressione si diffonde nel cal-cestruzzo fino ad assumere una distribuzione di ten-sione lineare sulla sezione trasversale;durante la dif-fusione, le tensioni di compressione deviano dalladirezione parallela alla forza e ciò induce elevate ten-sioni trasversali di compressione immediatamente dopola piastra di ancoraggio e successivamente tensioni tra-sversali di trazione. Le tensioni dette chiamate “bursting stresses” sono cau-sate dalla diffusione della forza concentrata e sono im-

12/2009 LE STRADE

3a 3b

4a 4b

5

Galle

rie6. Tensioni di

bursting. Statotensionale 3D

7. Comportamento atrazione deicalcestruzzifibrorinforzati

8. Parametrifondamentali delfenomeno di spalling

putabili alla curvatura delle traiettoriedelle tensioni di compressione. Tali ten-sioni agiscono normalmente alla dire-zione di applicazione del carico e rag-giungono il valore massimo a brevedistanza dalla superficie caricata.Questo tipo di sollecitazioni all’interno delconcio agiscono attraverso uno stato disforzo tridimensionale che può esserecontrastato con la predisposizione nelleimmediate vicinanze del punto di ap-plicazione del carico di armature longi-tudinali e trasversali (cioè staffe chiuseche conferiscono anche un benefico ef-fetto di confinamento al calcestruzzo)che hanno lo scopo di “cucire” le zone diformazione delle fessure (fig. 6).Successivamente, in base ai dati fin quitrattati, attraverso la sperimentazioneincendio di Montelibretti si è studiatala possibilità di ottimizzare l’armaturatradizionale con l’aggiunta di fibre d’acciaio e polipro-pileniche, allo scopo di contrastare i carichi strutturalie quelli di incendio.L’aggiunta di fibre disperse di acciaio in una matrice ce-mentizia ne modifica le proprietà meccaniche. In parti-colare, migliora il comportamento a trazione contrastandol’apertura progressiva delle fessure (fig. 7).Una volta raggiunta la fessurazione della matrice, le fi-

bre sono in grado di manifestare il proprio contribu-to, conferendo al composito una resistenza post-fes-surazione assente nella matrice senza fibre. Il comportamento fortemente degradante, tipico di unaprova di trazione monoassiale sul calcestruzzo, può es-sere modificato in modo significativo dall’aggiunta difibre, al crescere della percentuale volumetrica. Le fi-bre inoltre migliorano il comportamento a trazione del-la matrice in fase fessurata, dotandolo di una capaci-tà di resistenza residua.L’impiego di fibre di acciaio, corte discontinue distri-buite uniformemente all’interno della matrice cemen-tizia, ha lo scopo di conferire al materiale una mag-giore resistenza alla fessurazione e di conseguenzamigliori prestazioni in termini di durabilità.Tali caratteristiche hanno suggerito l’applicazione delSRFC (Steel Fiber Reinforced Concrete) ai conci pre-fabbricati per gallerie mediante l’avanzamento con scu-do in parziale sostituzione dell’armatura tradizionale.Per quanto riguarda invece le fibre polipropileniche la

loro bassa resistenza al fuoco puòessere sfruttata come un vantag-gio per ridurre il problema dellospalling dei calcestruzzi ad alta re-sistenza.Infatti, i calcestruzzi ad alta resi-stenza sono poco permeabili, per cuialle alte temperature, il vapore ac-queo che si sviluppa all’interno delmateriale, non riesce ad abbando-nare il calcestruzzo finché non si hauna espulsione improvvisa dellostesso sotto l’azione della pressio-ne del vapore acqueo (fig. 8). Lo scioglimento delle fibre crea nel-la matrice del CLS dei vacuoli per-mettendo al vapor acqueo di scari-care le proprie pressioni attraversodi essi contrastando la frantuma-zione esplosiva. Al fine di ricercare la soluzione ot-timale dal punto di vista della re-

sistenza al fuoco e quindi della sicurezza in caso diemergenza degli utenti della galleria è stato condottoun esperimento d’incendio presso la scuola dei Vigilidel Fuoco di Montelibretti, per il quale è stata proget-tata una galleria di prova in cui sono stati impiegate ti-pologie di conci diverse, sia prefabbricati che gettati inopera, additivati o meno con fibre di acciaio e poli-propileniche in dosaggi variabili,

5

12/2009 LE STRADE

6

7

8

6

Gallerie

10. Partner interessatialla sperimentazione

11. Test sperimentali.Andamento dellecaratteristiche diresistenza dei materialicon la temperatura

ESPERIMENTO DI INCENDIO DI UN VEICOLO DELLA CASSADELLA LINEA C DELLAMETROPOLITANA DI ROMALa peculiarità principale della futura Linea C dellaMetropolitana di Roma è quella di essere una metro-politana automatica, senza macchinista a bordo con lestazioni provviste di porte di banchina (fig. 9).La nuova configurazione d’esercizio, se da un lato ten-de ad incrementare la sicurezza intrinseca del sistemadi trasporto, dall’altra evidenzia delle problematicheconoscitive sulla conseguenza di possibili fenomeni d’in-cendio in galleria. Infatti, le porte di banchina costitui-scono una vera e propria continuità longitudinale, conriferimento ai modelli fluidodinamici, che richiede va-lutazioni attente sui dati di input, quali le potenze ter-miche prodotte, i tempi di sviluppo dell’incendio, leemissioni prodotte , il fenomeno di flash over.La sperimentazione programmata dentro la galleria diprova con una “vettura sacrificale” ha consentito di ac-quisire dati sufficienti alle successive simulazioni conmodelli fisico matematici. La sicurezza dei viaggiatori in caso d’incendio di un tre-no, nella galleria metropolitana, è stato uno dei temimaggiormente approfonditi nel progetto della linea “C”della Metropolitana di Roma. Per approfondire tali temiè stato siglato un Protocollo di Intesa tra RomaMetropolitane Srl, Metro C ScpA, il Consorzio Fastigi,Ansaldo Trasporti Sistemi Ferroviari SpA, Ansaldo BredaSpA ed il Consorzio Train per la realizzazione di un espe-rimento incendio di una cassa del veicolo della Linea“C” della Metropolitana di Roma (fig. 10).È quindi stato necessario confermare le ipotesi adot-tate in fase di progettazione e verificare sia le scelteimpiantistiche adottate che il comportamento dellastruttura, con una sperimentazione di incendio, al vero,bruciando una delle carrozze che verranno adottatenell’esercizio della linea, e ricreando un ambiente cherappresentasse al meglio la galleria reale della lineametropolitana (fig. 11). La realizzazione dell’esperi-mento ha permesso di testare e validare, in via defi-nitiva, le simulazioni effettuate durante la fase di pro-gettazione rappresentando un caso unico, di valenzanazionale ed internazionale, che consentirà di dispor-re di dati inconfutabili oltre che per la linea “C” ancheper tutte le altre metropolitane, al fine di definire almeglio, sia le strategie di prevenzione e protezione da-gli incendi che le strategie di evacuazione dei viag-giatori dalle gallerie (fig. 12).Il sito individuato per la realizzazione della prova, è la

Scuola di Formazione Operativa dei Vigili del Fuoco aMontelibretti (Rm) previa realizzazione di una galle-ria di circa 110 metri di lunghezza avente le stesse ca-ratteristiche dimensionali e funzionali della Linea C al-l’interno della scuola stessa. La suddetta galleria è stata realizzata, come da pro-getto, utilizzando in parte i conci prefabbricati (glistessi che si stanno mettendo in opera per rivestirele gallerie TBM della Linea C), di cui alcuni additiva-

12/2009 LE STRADE

9. Modellotridimensionale dellacassa del veicolo dellaLinea C dellametropolitana di Roma

9

10

11

12. Galleria di provapresso la scuola deiVigili del Fuoco diMontelibretti

13a, 13b. Fasilavorative dellagalleria di provapresso la Scuola deiVigili del Fuoco diMontelibretti

14. Dettaglio anelli acavallo della cassasacrificale come daprogetto

ti con fibre, ed in parte con calcestruzzo gettato inopera in modo da testare diverse combinazioni di ri-vestimento (fig. 13).In particolare per la porzione di galleria (14 anelli) acavallo della zona in cui è stata posizionata la cassa sa-crificale il progetto esecutivo prevedeva:• 6 anelli con il completamente del semianello supe-riore gettato in opera,• 8 anelli realizzati con diverse tipologie di calcestruz-zo additivato con fibre metalliche e/o polipropileniche,• 7 anelli a partire dal centro protetti con malta resi-stente al fuoco tipo fireshield.La composizione degli anelli è riportata nella figura chesegue (fig. 14).In fase di realizzazione mantenendo inalterato lo sche-ma generale sono stati realizzati:• 5 anelli con il completamente del semianello supe-riore gettato in opera di cui 4 con calcestruzzo addi-tivato con fibre di acciaio e fibre di polipropilene in ra-gione di (soluzione tipo C*) e 1 anello con calcestruzzonon additivato;• 1 anello con calcestruzzo normale come da progetto;

• 1 anello con conci prefabbricati realizzati con aggiuntadi fibre di acciaio all’armatura di progetto (soluzionetipo A).• 1 anello con conci prefabbricati realizzati con aggiuntadi fibre di acciaio all’armatura ottimizzata secondo loschema riportato nella relazione di calcolo (soluzionetipo B). • 1 anello con conci prefabbricati realizzati con aggiuntadi fibre di acciaio all’armatura di progetto e con ag-giunta di fibre di polipropilene (Soluzione tipo C)• 1 anello con conci prefabbricati realizzati con aggiuntadi fibre di acciaio all’armatura ottimizzata secondo loschema riportato nella relazione di calcolo e con ag-giunta di fibre di polipropilene soluzione tipo D)• 4 anelli con conci prefabbricati di tipo tradizionalecome da progetto.La prova è stata realizzata ricreando le condizioni pre-viste dal progetto Linea C, pertanto la configurazionedel sito e i materiali impiegati sono, il più possibile imedesimi del progetto citato Gli obbiettivi che la prova ha raggiunto sono:• misurare la curva di potenza termica emessa dal

7

12/2009 LE STRADE

Galle

rie12

13a 13b

14

8

Gallerie

15. Soluzioneprogettuale dei concicon armaturaottimizzatatradizionale+fibre

16. Verifica dellasezione del conciocon armaturaottimizzata ai carichidel terreno

veicolo, la potenza massima sviluppata, la velocitàcritica di espansione dei fumi, il carico d’incendio delveicolo;• monitorare i parametri dei prodotti di combustionecome le sostanze rilasciate, temperature, visibilità aseguito della concentrazione dei fumi ecc.;• verificare le scelte impiantistiche per il progettodella Linea C,con particolare riguardo alle dotazionidi sicurezza;• testare le strutture della galleria a seguito dell’in-cendioL’esperimento, ha permesso di acquisire tutti gli ele-menti necessari per poter realizzare un progetto inno-vativo e mirato per le strutture in galleria, perchè di-retta conseguenza delle prove in scala reale effettuate.Dai primi risultati risulta chiaro che l’aggiunta di fibredi acciaio da un lato può portare ad una riduzione del-l’armatura tradizionale maggiore del 40%, dall’altrodetermina una maggiore efficienza alle alte tempera-ture,coadiuvato dall’introduzione delle fibre polipro-pileniche.Queste considerazioni hanno portato a proporre unasoluzione progettuale per i conci prefabbricati,che pre-vede l’abbandono dell’armatura lenta diffusa nell’inte-ro volume ed invece realizzare l’elemento prefabbri-cato attraverso CLS additivato con fibre di acciaio epolipropileniche nell’intero volume con l’aggiunta di uncordolo in CLS rinforzato con armatura lenta tradizio-nale che corre lungo il perimetro esterno cioè dove leanalisi agli elementi finiti e sperimentali hanno evi-denziato una concentrazione degli sforzi (fig. 15).La verifica di questa tipologia di ha evidenziato comel’armatura ottimizzata cioè tradizionale più fibre, conla disposizione della figura precedente, produca undominio di resistenza della sezione in grado di con-tenere tutte le combinazioni di carico corrisponden-ti alle azioni prodotte dal terreno a breve e lungo ter-mine (fig. 16).Allo stesso tempo tale configurazione permette di con-

trastare i possibili fenomeni fessurativi dovuti alle con-dizioni transitorie come la movimentazione ed il mon-taggio attraverso la spinta della TBM.

CONCLUSIONISeguendo un corretto approccio ingegneristico, oc-corre da un lato sviluppare soluzioni progettuali orien-tate alla salvabilità degli utenti migliorando i processidi esodo, dall’altro approfondire attraverso modellimatematici lo studio sul comportamento al fuoco del-la galleria. Le misure di maggiore efficacia, come dimostratodall’applicazione della metodologia IRAM (Italian RiskAnalysis Method) di analisi di rischio al progetto del-la sicurezza di più di 300 km di gallerie stradali e au-tostradali, sono quelle indicate al paragrafo 2.3 e se-guenti del D.Lgs n. 264/06: vie di fuga e uscite diemergenza; accesso per i servizi di pronto interven-to; piazzole di sosta; drenaggio; resistenza al fuo-co delle strutture ecc. In tale contesto si inserisce lo studio sul comporta-mento strutturale di conci prefabbricati per gallerie rea-lizzate con TBM, realizzato mediante l’analisi FEM(Metodo agli Elementi Finiti) dello stato tensionale edeformativo nelle diverse condizioni di carico a cui glielementi prefabbricati sono soggetti durante la loro vitanominale. Naturale prosecuzione di tale lavoro è sta-to insieme a partner istituzionali e privati, l’esperimentoincendio di una cassa del veicolo della Linea C dellametropolitana di Roma in una galleria di prova pres-so la Scuola dei Vigili del Fuoco di Montelibretti, il cuiscopo è stato quello di ottenere dati in merito al com-portamento al fuoco dei sistemi impiantistici e strut-turali della futura Linea C della metro, cioè quelle in-frastrutture dedicate alla sicurezza degli utenti. Tali dati permetteranno di realizzare un progetto in-novativo e mirato per le strutture in galleria in parti-colare per i conci prefabbricati, perchè diretta conse-guenza delle prove in scala reale effettuate. nn

12/2009 LE STRADE

15 16