Il calcolo delle opere di sostegno flessibili con il software IS Paratie

Gli usi delle opere di sostegno flessibili

Le opere di sostegno flessibili sono di fondamentale importanza per la realizzazione di strutture che necessitino la realizzazione di uno scavo.

Se poi lo scavo deve essere effettuato in aree fortemente urbanizzate le paratie diventano la soluzione principale, questo per via della presenza di edifici o infrastrutture di viabilità molto prossime alle opere da realizzare.

Ne sono la conferma le stazioni della metropolitana delle nostre principali città, che, per la maggior parte, sono realizzate sostenendo lo scavo per mezzo di paratie, oppure i parcheggi interrati, anche essi spesso realizzati ricorrendo ad opere di sostegno flessibili. Altro esempio degno di nota dell’impiego di paratie è il passante ferroviario urbano di Torino.

Le opere di sostegno flessibili sono di comune impiego anche in altre situazioni, come per la realizzazione delle fondazioni delle pile da ponte ed il consolidamento degli argini.

Le differenti situazioni di impiego di questa soluzione sono legate alla loro versatilità, garantita dalle differenti tipologie costruttive con cui possono essere realizzate. Le principali tipologie sono le seguenti:

• Diaframmi in calcestruzzo, realizzati in adiacenza uno all’altro mediante l’utilizzo di benna mordente o idrofresa;
  
• Palancole in acciaio, talvolta utilizzate anche come opere provvisionali, prodotte dall’industria e inserite nel terreno per infissione;
  
• Pali adiacenti, che possono essere trivellati oppure micropali.

Ognuna di queste tipologie ha le sue peculiari caratteristiche che richiedono una modellazione ad hoc, in funzione del materiale in cui sono realizzate, delle teorie più efficaci per la modellazione di ognuna, dei pregi e dei difetti che presentano.

Con il software IS Paratie è possibile per tutte gestire la modellazione e il progetto, tenendo conto di tutti questi aspetti.

La progettazione delle paratie

Qualunque tecnologia sia adottata per la realizzazione dell’opera di sostegno, caratteristica comune a tutte è l’interazione tra la struttura ed il terreno in cui è inserita.

Di conseguenza le paratie influenzano, e a loro volta sono influenzate da tutte le strutture prossime alla zona dello scavo.

In concreto, se si prendono ad esempio paratie realizzate in aree urbane, gli edifici limitrofi rappresentano due problematiche: la presenza di un carico importante prossimo al fronte di scavo e la necessità di limitare il più possibile gli spostamenti a monte dell’opera, in quanto provocherebbero danni alle altre strutture.

Questa problematica è intrinseca di un’opera di sostegno flessibile, in quanto il suo comportamento dipende dalla deformabilità flessionale, che è tale da influenzare l’entità e la distribuzione delle pressioni nel terreno adiacente, sia a molte che a valle.

La progettazione delle paratie comporta quindi la risoluzione di un problema di interazione tra opera di sostegno e terreno in cui essa viene realizzata. Questo stretto legame tra la struttura e le azioni che su di essa esercita il terreno è noto come interazione terreno-struttura.

Il software IS Paratie risolve numericamente questo problema modellando il terreno mediante molle discrete a comportamento elasto-plastico con isteresi, e la struttura della paratia mediante elementi finiti.

Questo tipo di modellazione è motivata dal fatto che questo tipo di opera basa il suo stato equilibrio sulla resistenza del terreno a valle dello scavo, resistenza passiva, che si oppone all’azione di spinta del terreno a monte, spinta che deriva dal superamento della resistenza attiva a monte in seguito agli spostamenti orizzontali della paratia.
Questo ragionamento è però vero solo nel momento in cui si inizia a scavare, non appena la paratia è stata inserita nel terreno, infatti, la condizione ai suoi lati è caratterizzata dalla tensione geostatica a riposo del terreno, definita dal parametro k0.

Non appena si inizia a scavare, la spinta del terreno a monte inizia ad agire sull’opera e, man mano che si procede, si raggiunge la resistenza attiva, individuato dal limite plastico in trazione della molla. Situazione inversa si verifica a valle, dove il limite plastico della molla in compressione è definito dalla resistenza passiva.

La distribuzione delle spinte che si viene a creare ai lati della paratia, e che su di essa agisce, è ovviamente influenzata anche dall’inserimento o rimozione di tiranti e solette (denominati puntoni in gergo e nel programma IS Paratie) o vincoli generici. Questi elementi di contrasto possono essere inseriti ed eliminati in tempi diversi in funzione delle diverse fasi di costruzione, ottenendo spinte sulla paratia completamente diverse a seconda che vengano inseriti prima o dopo. Questo è dovuto al comportamento non-lineare del terreno, ben lontano da quello perfettamente elastico, che non rende possibile la sovrapposizione degli effetti, obbligando a delineare in modo accurato tutte le fasi di costruzione dell’opera. Sotto queste ipotesi, ad ogni passaggio la soluzione di equilibrio deve essere calcolata numericamente in modo incrementale.

Entrando nello specifico del software IS Paratie, quando ci si appresta alla modellazione dell’opera di sostegno, bisogna prima di tutto avere ben presenti:

• Le caratteristiche meccaniche del terreno;
• I carichi delle strutture a monte della paratia;
• La tipologia costruttiva che si intende adoperare per l’opera di sostegno;
• Le fasi di costruzione, che nel seguito verranno chiamate “Step”, secondo la terminologia del software IS Paratie.

Il funzionamento del software IS Paratie in un caso studio

Per illustrare nel dettaglio in modo semplice il funzionamento del software IS Paratie, si farà riferimento alla struttura di un parcheggio sotterraneo, situazione usuale, derivata da un caso reale.

In questo progetto il parcheggio multipiano interrato è fiancheggiato da una infrastruttura viaria urbana.
L’ipotesi di scavo per questa struttura deve essere di 9 m di profondità ed ospitare due piani interrati. Si assume come quota 0.0 m quella del piano stradale e si avrà il primo piano interrato a quota -4.50 m e il secondo a -9.00 m, coincidente con il fondo scavo.

Il terreno è costituito da tre strati, iniziando dalla superficie: una sabbia, di spessore 3.00 m, uno strato di sabbia argillosa di 3.00 m e nuovamente una sabbia fino a profondità indefinita. È accertata la presenza di falda con quota piezometrica a -5.50 m dal piano campagna. Durante i lavori, questa quota sarà mantenuta ad un livello inferiore, pari a -10.00 m di profondità, mediante l’utilizzo di wellpoint.

Dal punto di vista strutturale della paratia, si opta per micropali di diametro 16.8 cm e spessore 1 cm, disposti a passo 40 cm. La paratia avrà, come detto, profondità 14 m e per la sua realizzazione saranno necessari tre ordini di tiranti attivi, rispettivamente alle quote: -1.00 m, -3.50 m e -6.50 m.

Questo è un punto di partenza per il progetto dell’opera di sostegno flessibile, infatti, le dimensioni qui riportate possono essere abbozzate o sulla base dell’esperienza o mediante predimensionamento. In entrambi i casi con l’utilizzo del programma IS Paratie, da questa idea di massima, si effettua il dimensionamento iterativamente, per successive modifiche e affinamenti, ottenendo come risultato il progetto della paratia.

Il prossimo passo per la modellazione dell’opera di sostegno è la definizione degli “Step” di realizzazione della paratia, ognuno dei quali verrà risolto in automatico con un calcolo iterativo alla ricerca dell’equilibrio delle forze valle/monte:

1. Step 1: La paratia di micropali è appena stata realizzata nel terreno, nessuno scavo è stato effettuato, e quindi la condizione è quella geostatica del terreno;
2. Step 2: Esecuzione del 1° scavo profondo 1.50 m, inizio dell’interazione terreno-struttura;
3. Step 3: Inserimento del 1° ordine di Tiranti a quota -1.00 m;
4. Step 4: Esecuzione 2° scavo di ulteriori 2.50 m, quota di fondo scavo pari a -4.00 m;
5. Step 5: Inserimento del 2° ordine di Tiranti a quota -3.50 m;
6. Step 6: Esecuzione 3° scavo di ulteriori 3.0 m, quota di fondo scavo pari a -7.00 m;
7. Step 7: Inserimento del 3° ordine di Tiranti a quota -6.50 m;
8. Step 8: Esecuzione 4° scavo di ulteriori 2.0 m, quota di fondo scavo pari a -9.00 m
9. Step 9: Realizzazione delle solette ai vari livelli, operazione corrispondente all’inserimento di tre puntoni sulla paratia;
10. Step 10: Rimozione dei tiranti; operazione consigliata in quanto spesso gli ancoraggi sono annegati nel getto frontale di calcestruzzo e non è quindi più possibile ispezionarli o tensionare successivamente i cavi per contrastare le perdite di tiro. Per questi motivi i Tiranti si considerano, a favore di sicurezza, non più presenti nei successivi Step (11, 12, 13);
11. Step 11: Dismissione dei wellpoints con conseguente risalita a monte della falda fino alla quota piezometrica originale di -5.50 m;
12. Step 12: Apertura al traffico della strada a monte della paratia e quindi modellazione del carico variabile a tergo dell’opera di sostegno;
13. 3. Step 13: Inserimento del carico sismico sulla paratia.

Ora, la logica che permette la creazione del modello in IS Paratie, consiste proprio nella definizione di tutti gli Step. Queste fasi possono comunque essere aggiunte, modificate o rimosse in seguito, ma è buona norma, per evitare errori, cominciare fin da subito con un’identificazione più precisa possibile di tutti gli Step.

All’interno di ogni fase si procede poi alla modellazione dei vari fattori che vanno a influire nell’analisi: la parte strutturale, quella geotecnica e quella di inserimento e rimozione dei carichi.

Iniziando dallo Step 1, si procede alla definizione strutturale dell’opera di sostegno: micropali ad interasse 40 cm e lunghezza 14.0 m. Nella definizione strutturale dei micropali è necessario fare riferimento a 2 sezioni:

• Una associata alle verifiche strutturali, detta “sezione per verifiche”, in cui si trascura la resistenza del calcestruzzo, considerando efficace il solo tubolare d’acciaio;
• L’altra associata alla rigidezza del palo per il calcolo degli spostamenti, in cui viene considerato il calcestruzzo interno al tubolare, ma non quello esterno. Questa è detta “sezione strutturale principale”.

La procedura di generazione delle sezioni è di facile utilizzo, in quanto completamente automatizzata.
Sempre nella prima fase, si definiscono le caratteristiche del terreno, aggiungendo gli strati necessari e assegnando loro le caratteristiche geotecniche. Si inserisce poi la quota della falda a -10.0 m, secondo quanto stabilito.

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