Caratteristiche di risposta dinamica, efficienza portante in rivestimenti tubolari multimateriale soggetti a carichi fluidi intensi ricorrenti

Perché tunnel più resistenti sono importanti

Molti moderni impianti di produzione energetica si basano su gallerie sotterranee che convogliano grandi volumi d'acqua verso e da turbine. Queste gallerie sopportano pressioni dell'acqua molto elevate che possono fessurare i loro rivestimenti in calcestruzzo, con rischio di infiltrazioni, costosi fermi impianto e persino cedimenti strutturali. Questo studio esplora un nuovo modo di costruire i rivestimenti delle gallerie in modo che, anche dopo la formazione di crepe, la galleria continui a sopportare il carico in sicurezza e a resistere alle perdite durante pressurizzazioni ripetute.

Una parete stratificata attorno alla galleria

Gli autori propongono un rivestimento «a sandwich» composto da tre strati cooperanti: un anello interno in calcestruzzo armato, una sottile lamiera d'acciaio avvolta attorno a esso e un anello esterno in calcestruzzo armato. Insieme formano una calotta composita all’interno della roccia circostante. Anziché affidarsi esclusivamente alla lamiera, come nei rivestimenti tradizionali in acciaio, o al solo calcestruzzo, come nei rivestimenti semplici in calcestruzzo armato, questo progetto distribuisce le forze tra tutti e tre gli strati. Barre d’acciaio disposte attorno alla circonferenza della galleria vengono usate per vincolare meccanicamente la lamiera al calcestruzzo su entrambi i lati, favorendo il comportamento solidale degli strati e il trasferimento affidabile degli sforzi anche quando si formano fessure.

Perché i rivestimenti attuali non bastano

I rivestimenti convenzionali presentano ciascuno limiti significativi nelle gallerie ad alta pressione d’acqua. I rivestimenti in lamiera d’acciaio sono resistenti a trazione e oppongono una buona resistenza alla pressione interna, ma possono instabilizzarsi per sfiancamento sotto alte pressioni esterne durante lo svuotamento e risultano costosi e difficili da realizzare. I rivestimenti in calcestruzzo armato sono più economici e semplici da costruire e non tendono a sfiancarsi quando comprimibili dall’esterno, ma a elevate pressioni interne si fessurano inevitabilmente, permettendo all’acqua di penetrare nella roccia e riducendo la capacità portante del rivestimento. Precedenti tentativi di incollare acciaio al calcestruzzo con resine epossidiche o polimeri rinforzati con fibre hanno incontrato problemi di durabilità in ambienti umidi e chimicamente aggressivi. Resta quindi aperta la necessità di un sistema di rivestimento che sia al tempo stesso robusto alle variazioni di pressione e durevole in condizioni ricche d’acqua.

Mettere alla prova il nuovo rivestimento

Per valutare il comportamento del rivestimento a sandwich, i ricercatori hanno costruito un modello fisico in scala di un segmento di galleria. Il modello consisteva nei tre strati del rivestimento installati all’interno di un robusto cilindro d’acciaio che poteva essere riempito d’acqua sia dall’interno (per simulare le condizioni di esercizio) sia dall’esterno (per simulare lo svuotamento della galleria mentre l’acqua di falda preme dall’esterno). Estensimetri incorporati nel calcestruzzo interno, nella lamiera e nel calcestruzzo esterno hanno registrato come ciascuno strato si è deformato in trazione o compressione all’aumentare e diminuire delle pressioni. Una sequenza di cicli di carico controllati ha permesso al gruppo di esaminare sia il comportamento integro sia la risposta dopo l’avvio della fessurazione negli anelli di calcestruzzo.

Come si spostano le forze con i cicli di pressione

Sotto pressione esterna, tutti e tre gli strati risultavano in compressione, con il calcestruzzo esterno che assorbiva circa il 43–45% del carico circonferenziale, il calcestruzzo interno circa il 40–42% e la lamiera d’acciaio solo il 13–16%. Le sollecitazioni nell’acciaio rimasero ben al di sotto del livello che porterebbe allo sfiancamento, specialmente perché il calcestruzzo circostante vincolava la lamiera. Sotto pressione interna lo scenario cambiava. Prima della fessurazione, la roccia circostante, il calcestruzzo interno, il calcestruzzo esterno e l’acciaio condividevano la trazione. Quando il calcestruzzo interno si fessurò intorno a 0,94 MPa, la sua quota di forza circonferenziale diminuì bruscamente e la quota della lamiera aumentò da circa il 15% a circa il 25%. Quando successivamente si fessurò anche il calcestruzzo esterno, la quota dell’acciaio salì ancora, fino a circa un quarto-terzo del totale, mentre gli anelli di calcestruzzo fessurati sopportavano meno carico. Anche durante un secondo ciclo di pressurizzazione esterna e interna dopo la fessurazione, la lamiera continuò ad alternare il carico tra compressione e trazione, assistendo il calcestruzzo danneggiato e limitando le deformazioni permanenti.

Cosa significa per le gallerie reali

Nel complesso, gli esperimenti dimostrano che il rivestimento a sandwich può continuare a funzionare in sicurezza anche dopo la fessurazione degli anelli di calcestruzzo dovuta a elevate pressioni interne. Invece di una perdita improvvisa di capacità, la struttura ridistribuisce una parte maggiore del carico verso la lamiera d’acciaio, mentre il calcestruzzo mantiene rigidezza e supporto contro lo sfiancamento. Nel numero limitato di cicli di pressione di laboratorio testati, il sistema è rimasto stabile e ha ridotto il rischio di perdite e instabilità rispetto ai rivestimenti tradizionali. Sebbene questioni a lungo termine come corrosione, fatica e comportamento in masse rocciose reali richiedano ancora studi su scala completa, il lavoro indica una via promettente verso gallerie ad alta pressione più sicure e resilienti per impianti di accumulo mediante pompaggio e progetti idroelettrici analoghi.

Citazione: Pei, J., Deng, Z. Dynamic response characteristics, load-bearing efficiency in multimaterial tunnel assemblies subjected to recurrent intense fluid loading. Sci Rep 16, 12079 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42916-y

Parole chiave: gallerie idrauliche, calcestruzzo armato, rivestimento in lamiera d'acciaio, carico di pressione dell'acqua, durabilità strutturale