Geosintetici e funzione di rinforzo tesina

Istituto tecnico per geometri

P. Cuppari – Jesi (AN)

Anno scolastico 2013-2014

Esame di Stato 2014

Studente: Lotito Lorenzo classe V B

Titolo tesina:

La funzione di rinforzo dei geosintetici

e la sua applicazione nei lavori stradali

1. Cenni storici sui geosintetici

1.1. Cosa sono i geosintetici

I geosintetici sono i prodotti ad alta tecnologia prefabbricati che derivano da sostanze sintetiche polimeriche come il Poliammide, Poliestere, Polipropilene, Polivinilalcol che vengono:

• Ridotte in fibre (come le fibre naturali quali il cotone, il lino, la lana o la seta) e successivamente aggregate in tessuti (geosintetici tessuti) "a trama e ordito" oppure aggrovigliate fra loro per "agugliatura" (geosintetici non tessuti).
• Estruse (geosintetici estrusi).

1.2. Evoluzione tecnica ed applicativa dei geosintetici nell'ambito della geotecnica

La scoperta delle sostanze polimeriche (di cui sono costituiti i geosintetici) e la loro produzione avviene all'incirca negli anni 30.

Alla fine degli anni 50 vengono prodotti i primi geotessili non tessuti da fibra corta in Italia ed in Francia.

Alla fine degli anni sessanta in Francia ed in Austria vengono prodotti i geotessili non tessuti a filo continuo.

Gli inizi degli anni 70 segnano invece l'impiego dei materiali polimerici in fibra di vetro con rivestimento di resina per la realizzazione di muri in terra rinforzata in Inghilterra (1972), mentre per la stessa applicazione negli Stati Uniti vengono utilizzati per la prima volta (1974) i geotessili non tessuti.

Da precisare a tale proposito che altre esperienze di "armatura" dei terreni per il consolidamento e la costruzione di rilevati erano in corso parallelamente dal 1966 in Francia, a seguito degli studi e delle sperimentazioni dall'ingegnere Henri Vidal a Parigi, mediante l'utilizzo di barre d'acciaio ad aderenza migliorata e non di geosintetici (tecnica delle terre armate).

La fine degli anni 70 vede nascere le prime geogriglie polimeriche di tipo estruso e la loro applicazione per una terra rinforzata avviene nello Yorkshire nel 1979.

Subito dopo questo lavoro la tecnica produttiva delle geogriglie viene esportata dall'Europa agli Usa, dove nel 1982 e nel 1984 vengono realizzate delle opere di consolidamento di versante e un muro in terra rinforzata in Oregon.

2. Tipologie attuali di geosintetici e polimeri utilizzati

Per riagganciarci a quanto detto in precedenza e per fare un sunto dello stato dell'arte attuale vediamo ora ciò che la tecnologia del settore offre in termini di tipologie di geosintetici e di polimeri utilizzati per realizzarli.

È la norma europea UNI EN 10318 che classifica i geosintetici, tuttavia in questa sede, per una maggiore semplificazione, e per gli scopi di questa tesina che polarizzano l'attenzione sulla progettazione stradale, si riportano di seguito i prodotti che si trovano attualmente in commercio distinguendoli dal punto di vista strutturale e dei polimeri da cui sono composti:

Geotessili non tessuti

Sono erroneamente più conosciuti come tessuti non tessuti. La struttura del geotessile è ottenuta da fibre coesionate per agugliatura. Nel prodotto non è riconoscibile la classica struttura ad incrocio in trama ed ordito. I geotessili non tessuti si trovano in commercio in fibre di Poliestere o, maggiormente, in Polipropilene. Sono spugnosi al tatto, di colore bianco opaco.

Geotessili tessuti

Strutturalmente sono dati da un fitto intreccio di bandelle di fibre polimeriche che vengono tessute con la tipica struttura in trama ed ordito. L'aspetto al tatto è quello di una vera e propria stoffa di aspetto generalmente lucido. I geotessili tessuti assumono colorazione o bianca o nero antracite. Per particolari applicazioni (dipendentemente dal produttore) si possono trovare colorate sulle tonalità del beige. I geotessili tessuti si producono con fibre di polipropilene, poliestere, polivinilalcol, aramide (Kevlar).

Geogriglie

Come il caso precedente si ottengono dalla tessitura in trama ed ordito di fibre o bandelle di fibre con l'unica differenza che la maglia è aperta (dalle dimensioni del millimetro a quella dei centimetri). Come nel caso precedente, inoltre, le geogriglie si producono con fibre di polipropilene, poliestere, polivinilalcol, aramide (Kevlar). La loro colorazione è genericamente nera, dato che sono protette con rivestimento polimerico in PVC. Quando invece tale rivestimento è assente la geogriglia assume colorazione biancastra opaca. Le geogriglie possono avere, a seconda dell'utilizzo e della funzione per cui vengono utilizzate, una struttura planare o tridimensionale.

Geocompositi

Sono geosintetici, che come dice il termine stesso, sono costituiti dall'accoppiamento fra loro di due specie diverse di geosintetici che svolgono singolarmente differenti funzioni, ma che, compenetrati, si integrano per lo scopo da raggiungere. I geocompositi utilizzati nei lavori stradali sono dei seguenti tipi:

• Geocomposito geotessile non tessuto + geogriglia: dove il geotessile non tessuto svolge funzione di separatore e la geogriglia quella di rinforzo;
• Geocomposito geotessile non tessuto + geomembrana: dove il geotessile non tessuto assume una funzione di filtrazione e la geomembrana la funzione di barriera. È il caso dei geocompositi utilizzati per esempio per il drenaggio sul piano verticale o orizzontale.

3. Le funzioni dei geosintetici: il rinforzo nella progettazione stradale

I materiali geosintetici possono svolgere più funzioni e pertanto trovano largo impiego nei lavori di ingegneria geotecnica, ingegneria idraulica ed ingegneria ambientale. Nel caso della progettazione stradale, le funzioni richieste ai geosintetici sono le seguenti:

Funzione di separazione

Nella realizzazione delle strade infatti, dato che si utilizzano materiali di natura e granulometria diversa per il rilevato stradale, la fondazione stradale (cassonetto stradale) e per il nero stradale (manto bituminoso), è sentita la necessità di tenere opportunamente ben separati fra loro i materiali da costruzione.

Funzione di rinforzo

In questo caso i geosintetici apportano ai materiali da costruzione ed alle superfici di appoggio o di separazione un contributo in resistenza che si oppone agli sforzi di taglio che inevitabilmente si generano nelle opere stradali e che provengono dai carichi dei materiali da costruzione e dalle tensioni e sollecitazioni cicliche che si sviluppano nel corpo stradale per effetto del traffico veicolare.

Funzione di drenaggio

Nelle opere stradali è fondamentale l'allontanamento di acque che possono entrare nel corpo stradale, provenendo:

• Dai terreni di fondazione (caso del rilevato stradale poggiato su superficie pianeggiante) o dai terreni a tergo (caso di rilevato stradale in controripa) come acque di falda "sorgentizie" o acque di falda risalenti verso la superficie per fluttuazioni stagionali o per capillarità;
• Dal ruscellamento superficiale delle acque meteoriche che potrebbero infiltrarsi nelle cunette laterali di drenaggio e, da qui, finire nel corpo del rilevato.

Funzione di controllo erosione

È il caso specifico di tracciati stradali in trincea chiusa o aperta, quando gli sbancamenti avvengono in terreni incoerenti argilloso-sabbiosi i quali, per effetto degli sbancamenti stessi, una volta a giorno, potrebbero essere sottoposti a dilavamento, erosione superficiale o fenomeni di dissesto superficiale con gravi ripercussioni sulla sicurezza stradale (frane, colate di detrito o di fango) o, in alcuni casi, sulla stabilità delle opere stradali (scalzamenti al piede dei rilevati).

Funzione di trattenimento di terreni fertili su scarpate

In maniera analoga al caso precedente, ma con diverse finalità, l'utilizzo di geosintetici nella progettazione stradale può trovare impiego nelle opere accessorie, quali, ad esempio, le rinaturalizzazioni di scarpate pedologicamente sterili (in terreni arnosi, argillosi, calcarei) quando i tracciati sono previsti in trincea chiusa o aperta. Alcune specie di geogriglie di tipo tridimensionale, posate su scarpate sterili al rinverdimento, riescono a trattenere terreni fertili per alcune decine di cm di spessore, per cui su tali terreni è possibile effettuare idrosemine.

Di tutte le funzioni svolte dai geosintetici nella progettazione stradale, quella preminente, dato che è "funzione strutturale", è quella del rinforzo.

In questa tesina verrà trattata questa funzione prevalentemente e potremo vedere le parti del corpo stradale dove è possibile trovare applicazioni strutturali di rinforzo a beneficio di una vita utile maggiore delle opere realizzate e quindi a beneficio preventivo nei confronti dei lavori di manutenzione ordinaria e straordinaria a cui vanno incontro queste opere, con conseguente grande dispendio di risorse economiche per le Amministrazioni che devono gestirle.

4. Cenni di teoria sulla funzione di rinforzo dei geosintetici nei terreni

Per comprendere le modalità di azione di un geosintetico di rinforzo nel terreno e quindi capirne dal punto di vista fisico i processi che intervengono, serviamoci delle seguenti figure.

Quella che vediamo in alto è la Scatola di Casagrande, un apparecchio per prove geotecniche che misura le tensioni di taglio nei campioni di terreno T a partire da valori crescenti di tensioni di carico N a cui si sottopone il provino.

Il campione è caricato della tensione N, ad esso viene applicato lo sforzo di taglio T che muove le due metà del provino in maniera opposta fintanto che il campione si taglia come in figura di sopra, quando sono vinte le tensioni di compressione e di resistenza al taglio interne del campione lungo la superficie di taglio. Le tensioni di taglio T sono legate ad N attraverso la tangente dell'angolo di attrito interno del campione di terreno.

Inseriamo però adesso un elemento di rinforzo posto con una certa inclinazione alfa rispetto alla perpendicolare alla superficie di taglio.

Il rinforzo inserito, come si vede mobilita nel campione una forza P che sviluppa 2 componenti Pv e Ph.

La componente Pv agisce "in sostegno" alla tensione di carico N, la componente Ph si oppone alla tensione di taglio T. Il tutto è rappresentato dalla seguente formula:

Dalla quale si comprende, rispetto a quella di sopra (taglio del campione senza rinforzo), l'incremento delle componenti che aumentano la resistenza del terreno.

5. Ambiti applicativi della funzione di rinforzo dei geosintetici nel corpo stradale

5.1 Introduzione

Come detto nel paragrafo precedente, la funzione di rinforzo dei geosintetici nella progettazione stradale (ed oserei dire nella corretta progettazione stradale), è quella più importante per i seguenti motivi:

• Le opere stradali sono soggette a continue sollecitazioni (traffico veicolare);
• Le opere stradali devono mantenere più possibile la loro integrità funzionale.