Modellazione numerica del danno indotto dallo scavo di gallerie in area urbana su edifici in muratura

Tunnel excavation in urban contexts, essential for a more sustainable development of cities, causes surface settlements which, depending on their intensity, can in turn induce damage to nearby structures. Displacement predictions and consequent structural damage quantification are fundamental to correctly design mitigation measures and to estimate possible repair costs. In engineering practice, this is routinely done by analytical methods or numerical simulations, characterised by strong simplifications in the description of structural features. Results often lead to overconservative estimates of damage, with consequent increased costs. This is also related to how damage is described and quantified, since its intensity is traditionally expressed in terms of tensile strains and measured according to associated categories. In this paper, the evaluation of tunnelling induced damage for a structural and stratigraphic reference configuration via a purely numerical approach is proposed. All components of the interaction problem (soil, mechanised excavation, structure) are realistically introduced in a three-dimensional finite element model, accounting for the constitutive response of soil and masonry by means of models suitably formulated to capture the small strain non-linearity of the soil and the strength anisotropy of masonry, due to its peculiar internal structure. Damage is evaluated both looking at conventional proxies (total strains) and additional output variables (plastic points and associated plastic strains).

Lo scavo di gallerie in area urbana, essenziali per un più sostenibile soddisfacimento delle crescenti richieste di mobilità, genera spostamenti nel terreno e in superficie di entità più o meno severa. Questi, a seconda della loro intensità, possono provocare danni nelle strutture poste nell’area interessata dallo scavo. La previsione degli spostamenti e la quantificazione del conseguente danneggiamento strutturale sono fondamentali per progettare correttamente interventi di mitigazione del danno e per stimare eventuali costi di riparazione. Nella pratica tecnica consolidata ciò avviene ricorrendo o a metodi analitici o a simulazioni numeriche caratterizzate dall’introduzione di notevoli semplificazioni, per lo più nella descrizione delle caratteristiche delle strutture, che portano spesso a stime eccessivamente conservative del danno, implicando un dispendio di risorse maggiore di quanto realmente necessario. Questo è anche conseguenza di una non sempre univoca definizione e descrizione del danno, la cui intensità è espressa tradizionalmente in termini di deformazioni estensionali e quantificata secondo metriche ad esse correlate. In questo articolo viene proposta la valutazione del danno indotto dallo scavo di una galleria, per una configurazione strutturale e stratigrafica di riferimento, mediante un approccio numerico. Tutte le componenti del problema di interazione (terreno, scavo meccanizzato, struttura) sono introdotte realisticamente in un modello tridimensionale agli elementi finiti, tenendo conto della risposta costitutiva di terreno e muratura mediante modelli opportunamente formulati, per cogliere la non linearità del terreno, anche alle piccolissime deformazioni, ed il carattere anisotropo della resistenza della muratura, in ragione della sua peculiare struttura interna. La stima del danno è condotta mediante l’osservazione di grandezze convenzionali (deformazioni totali) e di variabili di output aggiuntive (punti plastici e deformazioni plastiche). Queste ultime permettono di ottenere una descrizione più completa della tipologia e dell’intensità del danno, restituendo informazioni sulla posizione e sul meccanismo di rottura in corso.