Lo studio per la realizzazione di nuovi tunnel per la metropolitana di Londra rappresenta una sfida per chiunque ci si cimenti: spazi ristretti fra le fondamenta degli edifici esistenti, dimensioni dei cantieri limitate e rigidi criteri di assestamento rendono la realizzazione dell’opera edile un impegno non indifferente. A cui però Dr. Sauer and Partners ha trovato un’efficace soluzione grazie ad un approccio moderno basato su CAE (Computer Aided Engineering).
La popolazione delle aree urbane aumenta senza sosta e le grandi metropoli del mondo rispondono potenziando le reti di trasporto su rotaia per rendere più efficienti gli spostamenti. La metropolitana di Londra non fa eccezione: la rete serve oggi tutta l’area della “Greater London” e le contee circostanti, con 270 stazioni e 400 chilometri di binari. Nel biennio 2012-13 i passeggeri in transito nell’area sono stati circa 1,23 miliardi.
Il cuore della rete è costituito dalle gallerie più antiche del mondo, aperte nel 1863 e costruite pochi metri sotto la superficie con il vecchio metodo delle gallerie a cielo aperto successivamente ricoperte (detto oggi “cut and cover”). Più tardi si è passati allo scavo di gallerie circolari (da cui il soprannome di “tubo”) nello strato di argilla a profondità maggiori.
Alla veneranda età di 150 anni, la metropolitana londinese continua a crescere. Il progetto di ampliamento della stazione di Bond Street (BSSU), il cui completamento è previsto per il 2018, è stato ribattezzato “uno dei progetti di scavo più complessi del Regno Unito”. Quando la nuova linea Crossrail si intersecherà con la stazione di Bond Street, il numero di passeggeri in transito su questo interscambio aumenterà da 155.000 a 225.000 ogni giorno.
La complessità del progetto BSSU è dovuta principalmente all’infrastruttura urbana esistente. La stazione si trova nel quartiere più affollato dello shopping londinese, il West End, caratterizzato da una vera e propria ragnatela di gallerie ferroviarie, passaggi pedonali e scale mobili per i collegamenti con le linee Jubilee e Central. I nuovi tunnel sono infatti vicinissimi a quelli storici. Ciò ha comportato la necessità di analisi sempre più accurate per risolvere al meglio tutte le problematiche legate alla geometria e all’allineamento delle gallerie, agli spazi ristretti fra le fondamenta degli edifici esistenti, alle dimensioni ridotte dei cantieri e a rigidi criteri di assestamento.
Dr. Sauer and Partners progetta tunnel ferroviari e stradali da oltre 30 anni. Nel 2010 l’azienda è stata assegnata a una joint-venture di Halcrow and Atkins (la capocommessa è un’altra joint-venture, Costain Laing O’Rourke) e incaricata della progettazione e della costruzione di tutti i tunnel del progetto BSSU rivestiti con la tecnica del calcestruzzo proiettato. Il progetto prevede due condotti di accesso, un pozzo verticale, quattro aditi (ingressi) per la costruzione, due tunnel binoculari trasversali, quattro grandi camere di intersezione e collegamento, tre sottopassaggi, due tunnel sopraelevati che passano attraverso gallerie di banchine esistenti, due canali per le apparecchiature elettriche e meccaniche e quattro gallerie inclinate per le scale mobili. La lunghezza complessiva delle gallerie è di circa 450 metri, con larghezze comprese fra 4 e 10 metri.
L’ingegner Nasekhian è arrivato in Dr. Sauer nel 2011 dopo il dottorato in geo-ingegneria al Politecnico di Graz in Austria, con otto anni di esperienza nella progettazione assistita dal calcolatore, subito messi a frutto dall’azienda.
“In progetti come quello della metropolitana di Londra, dove esiste già un’estesa rete che richiede un’analisi accurata dell’impatto di nuove strutture, l’analisi dettagliata in 3D offre vantaggi sia al cliente sia al progettista,” afferma. “Oltre alle analisi in 2D, se i tempi e il budget lo consentono, l’utilizzo di modelli 3D agevola notevolmente l’individuazione della soluzione ottimale.”
Il team di otto ingegneri di Dr. Sauer ha utilizzato il software di analisi agli elementi finiti (FEA) Abaqus per l’analisi digitale in tre dimensioni preliminare ai lavori di scavo (cominciati nell’estate del 2013 e da completare entro il 2015). Tale software è presente in Dr. Sauer già dagli anni ’90 ed è stato uno dei pilastri su cui l’azienda ha costruito il proprio successo. Il solutore Abaqus è un solutore agli elementi finiti per calcoli strutturali molto potente, con grandi doti di stabilità e velocità e che consente analisi elasto-plastiche anche per modelli molto complessi geometricamente e con un numero elevato di elementi. Tale strumento ha guidato il lavoro di modellazione FEA. “Tutti riconoscono che la qualità dei modelli a elementi finiti dipende in gran parte dalla qualità della mesh. Naturalmente mesh più raffinate comportano un maggior numero di elementi. Non avevo mai utilizzato Abaqus prima di arrivare in Dr. Sauer e ho trovato questo software incredibile per le operazioni di pre- e post-processing e per la creazione e l’elaborazione di geometrie complesse. Per realizzare un progetto efficiente bisogna apportare numerose modifiche alla geometria e Abaqus consente di intervenire direttamente ed in modo rapido”.
Per acquisire le geometrie necessarie alla modellazione numerica, il team di Nasekhian aveva inizialmente pensato di appoggiarsi a modelli CAD già esistenti della stazione, realizzati con un altro software. I problemi di conversione e generazione delle mesh avrebbero però comportato un eccessivo aggravio di lavoro. Abaqus, infatti, fonda le sue doti di stabilità e rapidità di soluzione sulla precisione numerica per cui la geometria importata da altro CAD spesso risulta penalizzante in quanto porta con se delle micro imprecisioni che hanno un impatto diretto sulla soluzione. Si è quindi preferito creare le geometrie direttamente in Abaqus/CAE (Ndr: modellatore del pacchetto Abaqus) in modo da renderle oltretutto parametriche e poterle modificare facilmente.
Nella fase preliminare di progettazione, il team ha condotto una serie di analisi bidimensionali per definire le dimensioni dei tunnel e le relative strutture. Una volta “congelate” le geometrie delle gallerie, è stata avviata la creazione dei modelli 3D.
Per una valutazione realistica dei carichi e delle sollecitazioni generati dagli strati di terreno, oltre alle strutture delle gallerie è stato simulato il terreno nel quale sono state scavate le stesse. L’analisi ha riguardato anche la geologia del sottosuolo del bacino di Londra (strati di gesso, sabbia, argilla, depositi fluviali e “terreno costruito” nell’arco di secoli di insediamenti umani), per consentire anche la valutazione delle interazioni fra terreno e strutture.
La maggior parte dei tunnel del progetto BSSU è scavata nello strato argilloso (London Clay), caratterizzato da bassissima permeabilità. È stato utilizzato il metodo tradizionale di scavo austriaco, noto negli Stati Uniti come SEM (Sequential Excavation Method) e nel Regno Unito come SCL (Sprayed Concrete Lining).
Nel metodo SCL (cioè a proiezione di calcestruzzo, come citato in precedenza), lo scavo viene suddiviso in diverse fasi; dopo ogni fase, il terreno esposto viene rivestito con uno spruzzo di calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio che si consolida molto velocemente, proiettato da spruzzatrici robotizzate. Una volta ultimato lo scavo della galleria e stabilizzate le deformazioni di questo rivestimento primario, viene applicata una guaina impermeabilizzante, sempre a spruzzo. Segue poi un secondo strato di calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio per garantire la perfetta tenuta della galleria. Nelle intersezioni fra tunnel vengono utilizzate armature di rinforzo in acciaio per le zone soggette ai pesanti carichi di flessione e tensione che si generano.
Le fasi principali della costruzione (lo scavo sequenziale e l’applicazione del rivestimento) sono state integrate nei modelli FEA di Abaqus per mostrare agli ingegneri l’impatto di ogni intervento sui rivestimenti dei nuovi tunnel e sulle strutture adiacenti. Per migliorare l’efficienza di calcolo, il team ha diviso il labirinto di strutture esistenti e aggiuntive del progetto BSSU in tre modelli separati, con un numero di elementi compreso fra 450.000 e un milione. “Abbiamo selezionato il limite fra due modelli adiacenti nei punti in cui la distanza fra i due tunnel più vicini, su entrambi i lati dei modelli, risulta più del triplo del diametro del tunnel più grande,” spiega Nasekhian. “Nelle zone più congestionate, dove questa condizione non poteva essere rispettata, abbiamo modellato una coppia di gallerie sovrapponendo due dei modelli.”
L’analisi effettuata con Abaqus ha fornito a Dr. Sauer and Partner una serie interessantissima di dati che hanno permesso interessanti valutazioni tecniche. Tra queste è stato possibile avere una stima affidabile dei movimenti del terreno e della perdita di volume durante la costruzione delle gallerie, individuando le soglie di allarme oltre le quali sarebbe stato necessario implementare un piano di gestione dei movimenti del terreno. “In progetti di questo tipo,” spiega Nasekhian, “è importante avere in mano valori realistici per evitare di costruire le gallerie con margini di sicurezza eccessivi, che comportano la crescita esponenziale dei costi.” Allo stesso modo è stata condotta una valutazione dei carichi indotti dallo scavo delle gallerie sulle strutture adiacenti pre-esistenti. Le deformazioni del modello ad elementi finiti sono state inizialmente impostate a zero e successivamente propagate con le fasi di scavo in corso.
Abaqus ha premesso dunque il completo dimensionamento dei nuovi tunnel costruiti con il metodo austriaco ed ha posto le basi per il calcolo dei rinforzi necessari, soprattutto nei punti di concentrazione dei carichi. “I risultati delle simulazioni in 3D sono stati particolarmente utili per ottimizzare la progettazione delle intersezioni fra gallerie, evitando l’installazione di una grande quantità di armature in acciaio,” sottolinea Nasekhian. In altre parole, Abaqus ha garantito la stabilità della superficie durante gli scavi.
Grazie alla simulazione realistica con i modelli 3D, il team di progettazione ha potuto dunque studiare e valutare nel dettaglio tutte le problematiche legate agli scavi per il progetto BSSU, individuando le soluzioni di progettazione e costruzione più efficienti.
In questo progetto molto complesso i modelli Abaqus hanno contribuito a migliorare la progettazione preliminare, basata su una serie di analisi 2D e sull’esperienza del team, portando gli ingegneri di Dr. Sauer ad un progetto finale estremamente dettagliato. La facilità di utilizzo di Abaqus ha consentito di sviluppare una serie di tecniche che hanno aumentato l’affidabilità delle simulazioni e ridotto i tempi di elaborazione di modelli così grandi. Le certezze acquisite grazie alle analisi hanno permesso al team di Nasekhian di portare avanti il processo di approvazione più velocemente, mettendo a disposizione dei clienti progetti affidabili della migliore qualità.
