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> Tecnologie di Ettore Zanatta Una partnership tecnico-scientifica per i geotecnologi del futuro È quella nata da oltre un anno tra un importante centro di formazione e di ricerca per la geologia applicata e le geotecnologie e un’azienda specializzata nei sistemi di prova per la meccanica delle terre 74 PF | maggio-giugno 2010 N ei diversi settori dell’ingegneria civile, ma in particolare nell’ambito della meccanica dei terreni e delle discipline a essa correlate, il progettista deve basare il suo approccio alla realizzazione di un’opera soprattutto sull’analisi sperimentale delle proprietà del terreno con il quale quest’ultima si trova a interagire. Solo estraendo, analizzando e sottoponendo a specifiche prove i campioni che ritiene rappresentativi il progettista sarà in grado di prevedere il comportamento del terreno nei confronti dell’opera. Recentemente sono stati forniti significativi contributi alla sperimentazione, ad esempio, dall’affinamento delle tecniche di prova, dall’utilizzo delle più avanzate procedure di automazione, dalla revisione di gran parte delle norme internazionali e dalla pubblicazione di testi e manuali specifici. Ma purtroppo, soprattutto negli ultimi dieci anni, le buone intenzioni e la teoria non sono bastate – e non bastano – a formare in modo adeguato i futu- ri progettisti. Una grossa fetta di studenti, infatti, si trova a dover interagire subito dopo la laurea con il mondo del lavoro (se si è fortunati) senza potersi “fare le ossa” e dovendo affrontare temi, scadenze e impegni di lavoro a volte nemmeno sfiorati dalle normali formazioni dell’ambito universitario. Il mondo del lavoro, per ragioni diverse (e non è certo questa la sede per dibattere l’argomento), ha subito nell’ultimo decennio trasformazioni che hanno contribuito non poco a modificare l’approccio al lavoro e il lavoro stesso. Basti solo pensare alle nuove norme in termini di sicurezza, alle differenti operazioni di recruiting, alle diverse contrattazioni, all’abbreviazione dei tempi e “…infine a com’è rapidamente cambiata la nostra vita con la diffusione dei computer, dei cellulari e di Internet”. (1) Tutto ciò ha portato anche molti benefici al mondo del lavoro stesso, ma le molte negatività riscontrate - e quelle che ancora si registrano - quasi sempre sono dovute a un’utenza non pronta al cambiamento, sia che si tratti di un neofita o di un professionista con esperienza. Fortunatamente esistono enti e società che percepiscono in anticipo questi cambiamenti e corrono ai ripari in tempo utile. Una partnership per il futuro La collaborazione per il conseguimento di obiettivi comuni, in tutti i campi, altro non è che un meccanismo che nasce tra imprese motivate e focalizzate, il cui scopo è di formare gli utenti, presentare e dimostrare gli sviluppi dei prodotti, elaborare studi di fattibilità e produrre servizi innovativi. Le continue mutazioni tecnologiche e normative e le sempre più frequenti richieste del mercato impongono continui aggiornamenti e adattamenti per rispondere al meglio e mantenersi al passo con i tempi. È il caso della partnership tra il CGT (Centro di GeoTecnologie), dell’Università degli Studi di Siena (San Giovanni Valdarno) e Controls (Cernusco s/N – Mi): una collaborazione sfociata in occasione del 3° Congresso Nazionale AIGA (Associazione Italiana di Geologia Applicata e Ambientale) tenutosi nel 2009 proprio a San Giovanni Valdarno. Il CGT, nato nel luglio 2002 come “Centro per le ricerche finalizzate, applicate e di sviluppo per la formazione professionale”, ha approcciato alcune realtà industriali italiane allo scopo di rendere maggiormente operative e attive alcune aree concernenti la sua attività formativa, dedicata ovviamente all’ambito universitario, ma soprattutto orientata all’utenza esterna (ad esempio, laboratori autorizza- ti, enti pubblici, tecnologi, professionisti e studenti). Controls ha risposto positivamente a questo invito e tra i due enti è nata una partnership tecnico-scientifica il cui obiettivo principale è realizzare insieme corsi di formazione tecnica inerenti le attività di laboratorio, con particolare riferimento alla Meccanica delle Terre e delle Rocce e che si basa sul concetto di formazione permanente. Lezioni pratiche in laboratorio Facciata del Centro di Geotecnologie di San Giovanni Valdarno “Il concetto di formazione permanente è quello per cui non si dovrebbe smettere mai di studiare perché il mondo va avanti, le cose cambiano, la tecnologia progredisce, le emozioni sono sempre diverse, la politica si trasforma e il campo dello scibile umano è enorme rispetto alla nostra capacità di immagazzinare e di memorizzare. In virtù di ciò esiste un vecchio adagio che dice ‘non si finisce mai di imparare’. Nella scienza dell’educazione delle formazioni specialistiche professionali, l’evoluzione tecnologica è talmente veloce ed enorme che addirittura l’aggiornamento ‘formativo’ (formazione continua) diventa obbligatorio, con l’acquisizione di crediti formativi.” (2) Tra “Terra” e “Roccia” Strutture fondamentali del CGT sono i laboratori che lavorano in modo integrato in attività di ricerca, consulenza e progettazione. Progetti interdisciplinari hanno portato ad applicare tecniche innovative per il rilevamento, la gestione informatizzata e l’analisi statistica di dati territoriali, svilupPF | maggio-giugno 2010 75 > Tecnologie Aula didattica pando nei gruppi di lavoro forti competenze in telerilevamento, geoinformatica e in tutti i settori della geologia applicata e geoingegneria. I laboratori hanno strutture, attrezzature e competenze in grado di rilevare, elaborare e rappresentare qualunque tipo di dato sull’ambiente fisico e sul territorio. Attualmente, il CGT è organizzato in dieci laboratori in grado di sviluppare attività di ricerca e consulenza scientifica articolate e complesse. Il laboratorio dedicato alle ricerche e analisi sperimentali nel campo della geotecnica, Meccanica delle Rocce, pedologia e prove speciali sui rischi ambientali – e il cui referente è la Dott.ssa Assunta Sfalanga – è uno dei protagonisti fondamentali di questa partnership. Questo laboratorio, di oltre 250 m2, dispone di un’ampia strumentazione per la caratterizzazione geotecnica delle terre. Le attrezzature automatiche, i sistemi di acquisizione dati e le piattaforme di elaborazione di ultima generazione consentono di valutare le proprietà fisico-meccaniche delle terre come supporto alla progettazione di infrastrutture e impianti di smaltimento, studio dei movimenti franosi e problematiche ambientali. Tra le molteplici attività svolte dal laboratorio possiamo citare: – caratterizzazione fisico-meccanica dei materiali (ad esempio, caratteristiche di compressibilità e rigonfiamento, conducibiltà idraulica, degradazione delle proprietà fisico-meccaniche a causa di fattori inquinanti); – aspetti geotecnici legati alla caratterizzazione dei materiali a protezione dei reflui 76 PF | maggio-giugno 2010 e ottimizzazione per la messa in opera; – caratterizzazione e parametrizzazione geotecnica del sottosuolo per attività estrattive per i materiali da costruzione; – caratterizzazione e parametrizzazione geotecnica del sottosuolo per la realizzazione di opere di sostegno, scavi, gallerie, fondazioni profonde, analisi di stabilità dei versanti, interventi su dissesti, eccetera. La formazione La formazione nell’ambito della geotecnica e della geoingegneria è uno dei capisaldi del Laboratorio. Insegnamenti e corsi sono tenuti all’interno della Laurea Magistrale, della formazione professionale attraverso Professional Course e Short Course organizzati dalla Fondazione Masaccio con la collaborazione del Centro di GeoTecnologie e il patrocinio dell’Università degli Studi di Siena, dei Free Professional Lecture e Free Short Lecture, nuova iniziativa del CGT mirata a fornire occasioni di formazione tecnico-professionale avanzata a studenti, dottorandi e giovani professionisti. In particolare, il corso di Laurea Magistrale in Scienze e Tecnologie Geologiche – curriculum in geologia applicata e geotecnologie – è un corso di laurea biennale dell’Università degli Studi di Siena che conferisce specializzazioni nei campi della geotecnica, geoingegneria, geofisica, idrogeologia, geologia ambientale, sistemi informativi geografici (GIS), telerilevamento e fotogrammetria. Questo corso apporta professionalità facilmente spendibili, è integrato con il mondo del lavoro tramite numerose convenzioni per stage e tirocini stipulate con aziende, enti pubblici e qualificati studi professionali, dispone di un corpo docente giovane, motivato e in parte costituito da professionisti e da dirigenti di aziende pubbliche e private. Il corso di laurea si avvale dei laboratori e delle competenze del Centro di GeoTecnologie che assieme al Collegio Universitario del CGT costituiscono uno dei pochi esempi italiani di Campus Universitario completamente dedicati alle scienze della terra, una residenza privilegiata in cui gli studenti hanno contatti continui e diretti con docenti e ricercatori che vivono nel Campus realizzando una vera comunità universitaria. Oltre che ai laureati della Facoltà di Scienze MM.FF.NN., di Ingegneria, di Architettura e Agraria, l’accesso al corso di laurea è aperto anche a laureati dalla Facoltà di Lettere (corsi di laurea in Geografia, Archeologia, Preistoria, eccetera) per i quali è previsto un particolare percorso formativo che, attraverso insegnamenti integrativi di geologia, seminari specialistici e tirocini dei laboratori di Sistemi Informativi Geografici e di Geoarcheologia, formano figure professionali nuove che coniugano una preparazione umanistica con moderne competenze tecnologiche. Uno dei fondamenti della nuova offerta formativa del Centro è quindi la presenza dei Laboratori per acquisire pratica con tecnologie informatiche, di telerilevamento, fotogrammetriche, geofisiche e geotecniche. Anche all’interno di quest’ambito si sviluppa questa partnership: i Product Manager della Divisione Meccanica delle Terre di Controls lavorano a stretto contatto con il laboratorio del CGT, in particolare per la realizzazione dei corsi base, specificamente dedicati a questo settore. Sotto la denominazione di “Geologo tecnico” ricadono competenze piuttosto ampie, di confine o complementari a quelle di altri profili professionali nell’area dell’ingegneria. Questa figura professionale è nota a livello internazionale come Engineering Geologist. Le competenze specifiche riguardano: – il rilevamento geologico-tecnico, le indagini geognostiche, le prove in sito e in laboratorio, le consulenze geologico-tecniche finalizzate: all’analisi dell’interazione tra opere (edifici, strade, ferrovie, gallerie, acquedotti ponti, viadotti, dighe, aeroporti, porti, idrovie, eccetera) e ambiente geologico; la valutazione dell’impatto antropico e del rischio geologico; – la gestione e conservazione dei beni naturali del territorio; il monitoraggio finalizzato all’analisi di stabilità di versanti naturali e artificiali e di litorali; la progettazione di alcune opere di sistemazione e prevenzione dei dissesti e relativi monitoraggi. Formarsi operando con tematiche e realtà vere e non simulate fa sì che “…l’istruzione è completa solo quando la teoria si confronta con l’esperienza…”. (3) Infatti, “..è solo facendo le cose concrete e di fronte ai risultati che imparo la responsabilità…”. (3) Il Laboratorio è dunque provvisto delle attrezzature e competenze necessarie all’esecuzione di innumerevoli determinazioni che riguardano la caratterizzazione di materiali per manufatti, la determinazione dei parametri fisici per l’Analisi di Rischio, le letture inclinometriche, la determinazione della densità e dell’Indice di Rilascio in rocce e rifiuti. Oltre alle analisi specialistiche per quanto riguarda le prove di riconoscimento e classificazione, di permeabilità, di compattazione, di deformabilità e resistenza meccanica, prove su rocce e rifiuti contenenti minerali amiantiferi. È soprattutto in quest’ambito che entra in gioco la competenza e l’impegno di Controls nel fornire al laboratorio del CGT tutta una gamma di prodotti, dai più semplici a quelli tecnologicamente più avanzati, in grado Area del laboratorio dedicata alle prove edometriche di competere con le più svariate e attuali esigenze del mercato, in particolare in massima sintonia con le normative a livello internazionale. In questo campo la parte del leone è rappresentata dai prodotti Wykeham Farrance, azienda riconosciuta nell’ambito del Soil Testing, nata dalla collaborazione con le più prestigiose università del Regno Unito e che oggi è la Divisione Meccanica delle Terre di Controls. Tra i prodotti più all’avanguardia si segnala il sistema triassiale automatico Autotriax (vedi foto di apertura), in grado di gestire in modo ottimale le prove effective stress, stress path, permeabilità e sui terreni non saturi: si tratta di un sistema automatico che si espande e sviluppa in successivi moduli, in grado di gestire da una sola stazione di controllo fino a tre sistemi triassiali indipendenti. Le attrezzature riguardano anche diversi apparecchi di taglio, tra cui anche un “tipo Bromhead” per prove di taglio residuo su provini anulari e diversi edometri, oltre a una miriade di macchinari “minori” che rendono questo laboratorio uno dei più completi a livello italiano. Infine, l’attività di ricerca del laboratorio viene principalmente indirizzata negli ambiti di approfondimento tecnico-operativo delle strumentazioni di avanguardia con uno spirito “di servizio” verso tutti i laboratori, fornendo talvolta spunti e suggerimenti all’azienda partner dal punto di vista dell’operatore laboratorista per eventuali affinamenti progettuali sia delle attrezza- ture che dei software applicativi. Tesi di laurea e di dottorato e lavori di ricerca presso il laboratorio si svolgono sui seguenti argomenti: utilizzo del picnometro a elio nella determinazione del peso specifico delle terre; valutazione della resistenza residua tramite taglio anulare su provini rimaneggiati; studio di percorsi tensionali tramite stress path controllato in campo statico (vedi scheda a parte riguardante “Esperienze sulla valutazione della resistenza residua attraverso taglio anulare”). Tutte le pubblicazioni, le ricerche e gli studi si basano su case-history reali seguiti dagli studenti e ricercatori con le modalità, le tempistiche, le valutazioni economiche e operative del mondo professionale. Ciò fa sì che sia la ricerca che la formazione siano direttamente rapportate con le cogenti problematiche e assetti delle realtà produttive dei laboratori e del mondo della professione. Tutti i suddetti elementi fanno sì che questa partnership sia partita con il piede giusto, fondendo con equilibrio e in modo sinergico tutte le molteplici peculiarità che CGT e Controls sono in grado di offrire, ognuna per la propria specializzazione. Del resto, lo stesso successo dei corsi già effettuati, nonché il programma di quelli futuri (già previsti e assegnati quelli del 1° semestre 2010), sono un chiaro segnale che questa collaborazione porterà molte soddisfazioni. Questo progetto è un ennesimo esempio a dimostrazione di come le università e le industrie italiane possano lavorare bene insieme senza temere la concorrenza di equivalenti entità estere, costituendo una realtà valida per l’utenza educazionale e professionale domestica ed europea. (1) Francesco Alberoni, Pubblico Privato, “Sono la scienza e la tecnica a rivoluzionare vita e valori”, Corriere della Sera, 17/8/2009 (2) Formazione (2009, maggio 27). Wikipedia, L’enciclopedia libera. Retrieved 10:28, settembre 2, 2009 from http://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Formazione&oldid=24299398 (3) Francesco Alberoni, Pubblico Privato, “La vera istruzione? Scienza, letteratura e lavoro manuale”, Corriere della Sera, 16/6/2008 PF | maggio-giugno 2010 77 > Tecnologie Esperienze… concrete “Esperienze sulla valutazione della resistenza residua attraverso taglio anulare”: questo l’argomento che di seguito affrontiamo, grazie al supporto e alle competenze di Alice Farinelli, Marco Iannini e Assunta Sfalanga, lo staff del Laboratorio di Meccanica delle Terre e delle Rocce del Centro di Geotecnologie dell’Università degli Studi di Siena. Uno dei principali problemi riguardanti le prove geotecniche è da sempre stata quella della rappresentatività delle indagini di laboratorio effettuate su provini di terreno, rispetto alla reale situazione presente in situ e di come i parametri ottenuti siano correlabili al comportamento dell’ammasso roccioso che si vuole modellare. Partendo proprio da questi quesiti, è in corso presso il Laboratorio di Meccanica delle Terre e delle Rocce del Centro di Geotecnologie dell’Università degli Studi di Siena una serie di ricerche applicative su alcune prove “classiche”. Le due principali sono: l’utilizzo del picnometro a elio per la determinazione del peso specifico dei granuli; l’utilizzo dell’apparecchio tipo Bromhead per pro- la di Casagrande dopo la rottura di picco (AGI 1994). Questo tipo di procedura, però, risente del problema della variazione della superficie di taglio durante la prova, nonché della sua irregolarità, fornendo, non di rado, valori sovrastimati dell’angolo di resistenza residua. Inoltre, non ultimo dei problemi del laboratorista, necessita di tempi lunghi. Questo genere di limitazioni vengono superate dal taglio anulare, come riconosciuto da diversi autori: “Nel corso dello svolgimento della prova non si verifica variazione di area sul piano in cui è applicato lo sforzo tagliente e sul quale conseguentemente si sviluppa il mutuo scorrimento tra le due parti del provino. Il provino può essere sottoposto alla persistenza dell’azione tagliente fino a provocare scorrimenti grandi a piacere, senza interruzioni e senza inversioni di direzione”. (Tagnani, 1992) “I dati provenienti da procedure in back analisi della resistenza al taglio in fenomeni di dissesto indicano che la resistenza al taglio ottenuta dalla prova di taglio torsionale rappresentino verosimilmente la superficie di scorrimento”. (Watry e Ehlig, 1995) Taglio anulare tipo Bromhead, realizzato con macchina Wykeham Farrance TORSHEAR Mod.27-WF2202 Particolare della scatola di taglio con il provino inserito ve di taglio su provini anulari, oggetto della presente esperienza. Il taglio anulare è utilizzato per la valutazione della resistenza residua di un terreno che rappresenta la resistenza di un terreno sottoposto a grandi spostamenti. Tipico esempio, per il quale di solito viene determinata, sono i fenomeni franosi. In laboratorio tale parametro può essere ricavato tramite l’utilizzo di un apparecchio di taglio classico secondo la procedura multiciclo applicata al provino in scato- La norma di riferimento (ASTM D6467-06 “Standard Test Method for Torsional Ring Shear Test to Determine Drained Residual Shear Strenght of Cohesive Soil”) definisce la procedura di prova per la determinazione in condizioni drenate della resistenza residua di terreni coesivi. Si indicano provini sia indisturbati che rimaneggiati, ma già in fase di norma si suggerisce l’utilizzo di questi ultimi, rappresentando lo “stato” tipico del materiale lungo la superficie di scorrimento del dissesto. 78 PF | maggio-giugno 2010 Preparazione del provino e condizioni di prova Per la buona riuscita della prova è di fondamentale importanza la procedura di preparazione del provino. Quella di seguito riportata è quella in uso presso i laboratori dei nostri interlocutori. Il campione viene essiccato a 40°, in seguito viene ricavato il passante a 0,42 mm. Quindi viene impastato con acqua fino ad ottenere un contenuto di umidità compreso tra il limite di plasticità e quello di liquidità (per i campioni argillosi ci si orienta verso il LP, mentre per quelli sabbiosi verso il LL). Il provino viene quindi “spalmato” all’interno della cella di contenimento (scatola anulare a forma di corona circolare), battuta più volte su una superficie piana per la fuoriuscita dell’aria eventualmente intrappolata. Si procede quindi a livellare la superficie, fino a ottenere un provino orizzontale e regolare. Questa procedura di preparazione rende inutile il precarico richiesto dalla norma e poco influente l’entità del carico durante la prova, avendo raggiunto le condizioni ultime che si possono trovare lungo un’ipotetica superficie di scivolamento. A questo punto viene montata la scatola, posizionando la parte superiore a contatto con quella inferiore e posta sull’apparecchio di taglio portandola a contatto con le due celle di carico e la barra di contrasto (che rappresenta il braccio della coppia torcente) solidale con la cella. Per quanto riguarda la procedura di prova, la più consona al tipo di preparazione sopradescritto è risultata la “multistage”: successive prove con pressioni normali crescenti sullo stesso provino. In pratica, dopo che è stata raggiunta la condizione residua al primo carico verticale applicato viene fermata la prova e si raddoppia il carico sul provino. Si lascia consolidare nuovamente e, quindi, si rimanda la fase di taglio. Questo è il metodo più veloce di prova, ma necessita di alcuni accorgimenti. Si possono sviluppare, infatti, attriti tra le pareti della cella di contenimento e la pietra porosa superiore che cede scen- dendo all’interno del provino durante le successive rotture via via che si aumentano le pressioni verticali. Questo problema viene superato mantenendosi entro i 100 kPa di carico massimo. Le condizioni di prova utilizzate presso i laboratori in oggetto sono le seguenti: carichi in progressione di 12,5-25 e 50 kPa; velocità di prova 0,018 mm/min corrispondente a una velocità angolare di 0,024 °/min. Conclusioni Da quanto precedentemente descritto, si evince che la parte più delicata di questa prova è la preparazione del provino. Con l’esperienza si arriva a stabilire il grado di umidità ottimale per i vari tipi di materiale. La difficoltà, solo iniziale, viene però neutralizzata dall’attendibilità dei dati ottenuti, dall’assoluta ripetibilità della prova e dai tempi rapidi di esecuzione. Attualmente le esperienze condotte su una trentina di campioni ci permettono di osservare che questo tipo di prova, nel- le condizioni sopradescritte, è particolarmente adatta a materiali coesivi plastici (vedi grafici), mentre si ha una maggiore dispersione di dati per i materiali limo sabbiosi. Si sottolinea però che questa procedura permette di valutare la resistenza residua anche di campioni molto sabbiosi, i più delicati da verificare con la procedura a cicli ripetuti. In entrambi i casi, comunque, si sono ottenuti risultati numericamente inferiori del 15-20% rispetto alle prove con cicli ripetuti su apparecchio di Casagrande. Si è infine osservato, ma il dato è in corso di verifica e approfondimento, che con questa procedura di prova è possibile avere indizi, a volte decisivi, per verificare se un campione è in zona soggetta o meno a fenomeni di dissesto. Infatti, eseguire separatamente e con tecniche diverse la determinazione dell’angolo di picco e la valutazione della resistenza residua ultima sullo stesso materiale, fa sì che il confronto dei dati possa fornire questa informazione. Relazione angoli di resistenza al taglio vs indice di plasticità Bibliografia • ASTM D 6467-06 “Standard Test Method for Torsional Ring Shear Test to Determine Drained Residual Shear Strenght of Cohesive Soil”. • AGI, “Raccomandazioni sulle Prove Geotecniche di laboratorio” 1994. • K.H. HEAD, “Soil Laboratory Testing”, Voll.1-3, ELE International Limited, Pentech Press, London, 1986. • Bromhead E.N. “The stability of scope” Surrey University Presso, London, 1986. • Abidin Kaya, James K.P. Kwong, “Evaluation of common practice empirical procedures for residual friction angle of soil: Hawaiian amorphous material rich colluvial soil case study”, Engineering Geology 92 (2007) 49-58. • Tagnani C., Prova di taglio torsionale, A.L.G.I. 2° Corso per Laboratoristi Geotecnici, giugno 1992. • P.L. Raviolo, “Il laboratorio geotecnico”. Procedure di prova. Elaborazione. Acquisizione Dati. Editrice Controls. Relazione angoli di resistenza al taglio vs contenuto argilla • Buselli F., Sacconi S., Miliziano S., “Errori sulla valutazione dei parametri di resistenza conseguenti all’interpretazione dei risultati di prove di taglio diretto eseguite a velocità eccessivamente elevate”. Rivista Italiana di Geotecnica 2/2009. • Watry, S. M., and Ehlig, P. L. (1995). “Effect of Test Method and Procedure on Measurements of Residual Shear Strength of Bentonite from the Portuguese Bend Landslide”. Clay and Shale Slope Instability, vol. 10. W. C. Haneberg and S. A. Anderson, eds. Geological Society of America, Reviews in Engineering Geology, Boulder, CO, pp. 13–38. PF | maggio-giugno 2010 79
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