Come precedentemente osservato, la resistenza a trazione dei geosintetici dipende da numerosi fattori quali:
- Tipologia di polimero e peso molecolare; - Micro e macro struttura del geosintetico; - Danneggiamento in fase di installazione; - Regime delle temperature in fase di esercizio; - Durata delle sollecitazioni;
- Fenomeni di degradazione dovuta ad agenti esterni.
Di seguito si riportano le curve sforzi-deformazioni per diversi polimeri, con l’intento di evidenziare la specificità di ogni prodotto impiegato e la necessità di determinarne le caratteristiche attraverso prove mirate.
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Figura 48 - Caratteristiche fisiche e meccaniche dei diversi tipi di polimero
In relazione all’approccio di calcolo adottato per il dimensionamento dell’opera in terra rinforzata sarà necessario adottare livelli di caratterizzazione del materiale con differente grado di complessità.
4.5.1 Modelli comportamentali complessi
La formulazione di modelli costituitivi che tengano in considerazione il comportamento meccanico dei geosintetici soggetti a percorsi di carico differenziati costituisce un passo fondamentale nella definizione del modello matematico associato a metodi di calcolo agli elementi finiti od alle differenze finite, per lo sviluppo dei quali è necessario impiegare opportuni legami costitutivi che rappresentino in maniera significativa sia il terreno sia l’interazione terreno-rinforzo. Negli anni e con lo sviluppo della tecnica sono state effettuate numerose ricerche per analizzare il comportamento meccanico degli elementi di rinforzo soggetti a sollecitazioni di trazione monotoniche, costanti e cicliche (Bathurst e Gai, 1994; Moraci e Montanelli, 1195 e 1997; Liu e Ling, 2006 e 2007; Hirakawa, 2003; Kongkitkul, 2004; Tatsuoka, 2008), evidenziando tre tipologie di non liearità. In particolare, per le geogriglie estruse in HDPE, la rigidezza tangenziale decresce all’aumentare della deformazione di trazione; per quelle tessute in PET (Polietilentereftalato) la rigidezza dapprima decresce a causa dell’orientamento e della messa in trazione dei fili, e poi aumenta all’aumentare della deformazione di trazione; per le geogriglie tessute in PVA la rigidezza cresce in relazione all’aumento di deformazione di trazione. La resistenza a trazione aumenta in maniera proporzionale alla velocità di applicazione del carico e mostra una significativa diminuzione all’aumentare della temperatura di prova, poiché entra in gioco la componente viscosa. In condizioni di carico ciclico si evidenziano il comportamento isteretico e l’insorgere di deformazioni plastiche del materiale e durante prove di creep a trazione viene
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evidenziato come le deformazioni viscose crescano all’aumentare del carico di trazione applicato e della temperatura. Di particolare interesse è il fatto che i diversi autori abbiano evidenziato che la resistenza a trazione ottenuta da prove di trazione monotoniche sia equivalente a quella ottenuta in prove di trazione multi-step che prevedono l’applicazione di un carico di lunga durata ed applicato in fase pre picco. Di seguito si riportano la rappresentazioni grafiche delle curve deformazioni-resistenza così come ricavate da Tatsuoka nel 2008.
Figura 49 – Curve Sforzi-Deformazioni da prove di trazione monotoniche su geogriglie in HDPE
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4.5.2 Modelli comportamentali elementari
Adottando metodi di calcolo semplificati quali l’equilibrio limite globale ed i metodi ibridi di tipo cinematico, risulta necessario approfondire la conoscenza delle caratteristiche di resistenza e rigidezza a trazione di lungo termine dei geosisntetici impiegati, nonché dei parametri di attrito equivalente rappresentativi del comportamento all’interfaccia terreno-rinforzo. In relazione a quanto affermato è indispensabile introdurre il concetto di durabilità, che può essere definito come la capacità di un geosintetico di mantenere, per tutta la vita di progetto dell’opera, le caratteristiche meccaniche richieste per impedire l’insorgere di criticità nei confronti degli stati limite ultimi e di esercizio.
La resistenza dell’elemento di rinforzo può variare nel tempo per effetto del danneggiamento meccanico indotto durante la costruzione dell’opera; della dipendenza dal tempo del comportamento meccanico del materiale sottoposto all’azione dei carichi statici e dinamici; di elevate temperature; degli agenti atmosferici; di attacco chimico e biologico. Ai fini della progettazione è pertanto necessario conoscere le caratteristiche chimiche dei polimeri che costituiscono il geosintetico e la variabilità delle loro caratteristiche meccaniche in relazione all’ambiente in cui sarà inserito unitamente alle modalità di messa in opera.
Figura 51 - Risultati di prove di trazione cicliche per una frequenza pari a 0.1Hz per diversi valori di carico ciclico massimo di trazione - (Moraci e Montanelli, 1997)
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Figura 52 - Confronto tra risultati di prove di trazione monotoniche e multi-stage con fase di creep (Tatsuoka, 2008)
Si definisce resistenza a trazione a lungo termine il carico di trazione che, se applicato per tutta la vita dell’opera, produce la rottura a trazione del rinforzo alla fine della vita stessa dell’opera, generalmente assunta per le strutture in terra rinforzata permanenti pari a 100-120 anni in relazione alla normativa adottata. La deformazione che corrisponde a tale carico è definita deformazione a lungo termine.
Figura 53 - Meccanismi di rottura per sfilamento dei rinforzi e per scivolamento del terreno su un rinforzo (Comedini & Rimoldi, 2013)
La resistenza a trazione a lungo termine viene determinata riducendo la resistenza a trazione a breve termine (Tult), calcolata mediante prove di trazione standard (UNI EN
ISO 10319) per mezzo di coefficienti di riduzione che prendono in considerazione gli agenti che possono modificarne la durabilità.
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Facendo riferimento, ad esempio, alla raccomandazioni ISO/TR 20432, relative alla determinazione della resistenza di lungo termine dei geosintetici, tali coefficienti sono rappresentativi del creep sotto carichi statici di trazione (RFcr), del danneggiamento
meccanico durante la posa in opera (RFid), degli effetti ambientali (RFw) e dei possibili
attacchi chimici e biologici (RFch). Infine, secondo le raccomandazioni sopra citate, la
resistenza a trazione deve essere ulteriormente ridotta impiegando un coefficiente di sicurezza (fs) che prende in considerazione sia la variabilità di produzione dei materiali
sia le procedure utilizzate nella ricerca dei dati sperimentali ottenuti impiegando prove di durabilità a breve termine. Risulta evidente quindi la necessità di una completa caratterizzazione dei materiali impiegati per il rinforzo allo scopo di definire il modello matematico rappresentativo del problema in esame ed applicare alle grandezze in esame tutti i coefficienti di sicurezza prescritti dalla normativa al fine di garantire un corretto dimensionamento dell’opera e disporre di adeguati margini di sicurezza.