componenti strutturali e codice alfanumerico del palo

Transcript

1 ingegneria

2 struttura del alo Diffondendo in questi anni la conoscenza del alo a vite, abbiamo sesso riscontrato una certa titubanza nell affrontare i calcoli sulla caacità ortante di questo alo, che ha la eculiarità di avere la unta a vite multi-elica auto-ancorante, di sezione molto sueriore al fusto, caace di enetrare i terreni comattandoli fortemente, senza rimuoverne la giacitura e senza vibrazione alcuna. Si è ritenuto quindi di rendere noti alcuni degli asetti ingegneristici che maggiormente caratterizzano questo rodotto, difficilmente reeribili nei libri di testo. Soddisfatti dei risultati conseguiti mediante studi arofonditi, riortiamo di seguito alcuni assaggi che hanno caratterizzato la nostra ricerca, attribuendo un concreto aorto e valore ingegneristico a questo rodotto. A Dr. Gian Pietro Frare - geologo Le caratteristiche che rendono originale e vantaggioso il alo Geoal sono state oggetto di studio er determinare sia i unti di forza che di debolezza di ogni sua arte strutturale interagente con il terreno, oltre che di un analisi comleta degli asetti economici su cui sviluare tecnologia, organizzazione e cometitività. B comonenti strutturali e codice alfanumerico del alo La struttura del alo Geoal è schematizzata e codificata nel seguente modo: codice alfanumerico del alo C rodotto fusto mm untale (o vite) mm alo diametro esterno sessore lunghezza diametro esterno asso sessore interno lunghezza totale (o sviluo) E D P dove, con riferimento alla gamma dei rodotti Geoalitalia: P. = alo a vite G e alo a vite G serie fotovoltaico P.V.D. = alo a viti distanziate - P.GL. = alo a vite continua o galleggiante TIR. = tirante - PRL. = elemento modulare/rolunga A= TESTA B= FUSTO D= PUNTA C= PUNTALE E= PUNTAZZA comonenti strutturali del alo

3 Il alo Geoal è costituito da un fusto tubolare cilindrico in acciaio munito di foro assante er l aggancio della testa e di una unta a vite ad ala larga in acciaio, cui segue a distanza redeterminata una untazza triangolare, semre in acciaio. Peculiarità del alo Geoal è la zona della unta, dove la geometria elicoidale dell ala della vite, unita al fusto, amlia la suerficie di contatto con il terreno, aumentandone la caacità ortante. La unta è a vite con asso quadro, articolarmente adatta ad immorsarsi su terreni revalentemente fini, così da raggiungere raidamente la rofondità voluta. Le giunzioni eseguite con saldatura autogena ad arco di tio semiautomatico a filo continuo garantiscono la stessa resistenza a rottura dell acciaio utilizzato, rendendo il rodotto finale decisamente affidabile e sicuro er reggere gli sforzi ai quali è destinato. Ogni alo Geoal è un alo tirante e uò essere rolungato con elementi modulari semlici o con elicoide distanziato e di diversa metratura, ermettendo l infissione entro sazi di manovra limitati, dove la alificazione uò risultare difficile o addirittura imossibile. Con questa tecnica è ossibile aumentare ulteriormente la caacità ortante comlessiva del alo o di ancoraggio del tirante. Le rolunghe sono collegate mediante bulloni di 7, conformi er le caratteristiche dimensionali e rorietà meccaniche alle norme UNI 00, UNI 559, UNI 559, UNI 577. A = alo a vite continua su terreni coesivi B = alo a vite G intestato su banco ghiaioso rofondo C = alo a vite G con elicoidi distanziati lungo il fusto Il alo Geoal è roosto in diverse serie e modelli con dimensioni, diametri e sessori variabili in relazione a esigenze di rogetto e di carico, terreni da attraversare, rofondità da raggiungere e funzioni da svolgere. Ogni alo ha dunque una diversa caacità ortante e meglio si adatta a determinati terreni ed esigenze. Il tecnico infatti individua caso er caso, con il suorto di un adeguato numero di rove geotecniche in situ, la tiologia di alo idonea all utilizzo e valuta come sfruttare oortunamente le diverse caratteristiche del alo in funzione dalle eculiarità litostratigrafiche e geotecniche riscontrate, alicando localmente ad hoc ulteriori eliche che ne aumentino la ortata comlessiva. Su richiesta il alo uò essere zincato o rotetto da uno strato di vernice bituminosa denominata Raid Primer che ne reserva l integrità nel temo se esosto ad agenti atmosferici, non ermettendo a fenomeni di natura elettrolitica di avviare il rocesso di degrado del metallo. 3

4 ingegneria del rodotto caacità ortante del alo I ali Geoal sono stati studiati nella loro struttura con estremo dettaglio, sia analiticamente sia attraverso un modello geometrico agli elementi finiti che ha consentito di conoscerne le reali otenzialità sotto ogni asetto ingegneristico. La caacità ortante del alo va valutata come somma di tre contributi: - caacità ortante di unta (Q ), - caacità ortante laterale della sira (Q ), - caacità ortante laterale del fusto (Q 3 ). Da cui: Q tot = Q + Q + Q 3 A seconda del modello di alo, ai fini comutazionali la struttura uò essere schematizzata come segue: figura : schema dei contributi di caacità ortante Volendo oerare secondo il D.M. 4 gennaio 008, la ortata Q tot = Q + Q + Q 3 dovrà essere divisa er il coefficiente di sicurezza (γ. ξ). Si dovrà inoltre tenere conto di un oortuno franco sommitale in cui, lungo il fusto, la resistenza è trascurabile er il rimaneggiamento del terreno a inizio infissione. 4

5 ortata di unta Q L area dell elicoide sommata a quella del fusto amlia la suerficie di unta del alo da 3 a 6 volte. I ali Geoal resentano quindi un area reagente decisamente sueriore a quella dei ali tradizionali. Di seguito indichiamo le relazioni della caacità ortante di sola unta in due diverse condizioni: a) er terreni coesivi Q b) er terreni granulari Q (9 c u ) A 4 e A R R v (9 c dove: - c u = coesione non drenata - v = ressione totale agente sulla unta - A = area di unta - e = diametro sira - R = resistenza ricavata da rova enetrometrica u e v ) 4 figura : contributo ortata di unta figura 3: contributo ortata laterale ortata laterale Q + Q 3 Il contributo dovuto alla resistenza laterale viene distinto in due comonenti: - il rimo (Q ) si svilua lungo l inviluo di una suerficie cilindrica tangente all elicoide (A figura ), - il secondo (Q 3 ) è offerto dall adesione che si svilua all interfaccia fustoterreno (A 3 figura ). Volendo distinguere tra terreni coesivi e granulari si ottengono le seguenti esressioni er il calcolo della caacità ortante laterale: A A e L 3 L 3 a) er terreni coesivi sira: Q cu A fusto: (L = lunghezza sira) (L 3 = lunghezza fusto) Q3 cu A3 dove α è il fattore di adesione (α = 0,5 ) b) er terreni granulari sira: Q k 0 v0 tan A dove: k 0 = coefficiente di sinta a rioso 5

6 ϕ = angolo di resistenza al taglio v0 = tensione efficace alla rofondità media della sirale fusto: Q3 k v0 tan A3 dove: k = coefficiente di sinta δ = angolo di attrito alo-terreno (δ = /3 ϕ) v0 = tensione efficace alla rofondità media dell asta caacità resistente del tirante La caacità resistente del tirante Geoal va calcolata come somma di due contributi: - caacità ortante della sezione di sira elicoidale agente come iastra di ancoraggio (Q ), - attrito laterale che si svilua nel tratto di sira elicoidale (Q L ). Da cui: Q tir = Q + Q L È trascurato il contributo lungo il fusto in quanto coinvolto nel cinematismo di rottura. a) nei terreni coesivi Q = (9 c u A Rs ) Q L = c u A Ls dove: - A Rs = area reagente sira: A Rs =! e " # con φ e = diametro sira - A Ls = area laterale sira 4 b) nei terreni granulari sora falda Q = Q u Q L = (γ z medio k 0 tanϕ A lat ) dove: - Q u è la caacità ortante ultima della iastra di ancoraggio valutata secondo la teoria di Ghaly et al. (998), - z medio è la rofondità media della sira. Alla caacità resistente così calcolata si alica il fattore di sicurezza (γ ξ). figura 4: schema di tirante e linee di forza figura 5: due tiologie di tirante Si arte dall iotesi che la ortanza di unta venga messa all attivo dell equilibrio in virtù dell elica osta alla base, la quale ertanto dovrà essere tassativamente a due sire, delle quali la mediana comleta si intende geotecnicamente efficace, mentre la mezza in entrata e la mezza in uscita si intendono 6

7 dedicate unicamente all instaurazione della continuità statica er il camo di sollecitazione della voluta interosta. Eventuali eliche disoste lungo il fusto del microalo, ad una sira, se introdotte in quanto ritenute utili nel caso di secie, aortano i seguenti ulteriori benefici: ) recuero di ortanza laterale, nello stile dei ali di grande diametro, ) stabilizzazione del fusto del alo se allocato in attraversamento a sessi strati molto soffici e lastici. L elica si intende connessa er saldatura in tutta la sua interferenza all attacco con il tubo. Le risultanze dell articolo del Prof. Ing. Osvaldo Zanoboni, Travi ad elica e travi ad asse circolare orizzontale, comarso in Il Cemento Armato - Le Industrie del Cemento, n., febbraio 939, XVII, ermettono di considerare come sezione resistente quella controllata dalla larghezza orizzontale della sezione nell attacco iuttosto che lo sessore all attacco della struttura a lamina elicoidale. Ciò remesso, siano: : il asso dell elica, φ e : il diametro esterno della struttura a lamina elicoidale, φ : il diametro del tubo del microalo, s: lo sessore della struttura a lamina elicoidale all attacco col tubo. Per le iotesi fatte, e sulla base dei simboli introdotti, si ha, er quanto riguarda la caratterizzazione geometrico-inerziale del sistema, quanto segue: cos! = ( ) = s / cos! W = + "#$ Si suone, a favore di sicurezza, che la forza limite alicata alla sira staticamente efficace agisca a (/3) (φ e φ ) dall attacco col tubo, cioè si fa riferimento ad una distribuzione triangolare, iuttosto che traezoidale, delle forze ad unità di lunghezza contata lungo il raggio da φ / a φ e /. Si ha allora: M lim = 3 ( ϕ ϕ e ) T = lim 3 T ϕ lim ( ϕ e ) 6!! Nel rosieguo, al solo scoo di ottenere un algoritmo seditivo er il dimensionamento, si fa riferimento al metodo delle tensioni ammissibili, il quale, er come delineato, si incentra su formule tutte agevolmente invertibili, diversamente da come è noto accade con gli attuali metodi agli stati limite. 7

8 Questi ultimi dovranno rimanere univoci ed irrinunciabili nelle verifiche finali, anche erché non venga disattesa la dovuta ottemeranza alle leggi vigenti. Si ha allora: τ =.5 T lim essendo: T lim il massimo sforzo di taglio ammissibile in esercizio. In base all enunciato delle tensioni ideali, e sostituendo le formule rima indicate, si ha: σ id = σ + 3 τ M = lim.5 T + 3 lim W = T lim 3 ϕ ϕ e W Ponendo la tensione ideale uguale alla tensione ammissibile, si ha: Si ottiene:! id, amm 3 " # $ # % ( % e.5 ( % ( * + 3" & W ) & " ) * 3 " # e $ # * %.5 ( * + 3" 6 " " * & " ) * & ) T lim = =! id, amm = Ricordando che è: = s cos! = s" T lim = σ lim s + (#"$ ) + ( π ϕ ) ϕ e ϕ P Si ricordi allora che il alo è ben sfruttato quando le sue risorse statiche come struttura si equivalgono alle sue risorse geostatiche come oggetto interferente col terreno. T lim deve allora essere eguagliato al raorto tra la ortanza consentita dal terreno e dalla geometria generale del alo ed il coefficiente di sicurezza rescritto dalla vigente normativa. Dalla geotecnica classica si evince che la ortanza del alo è data da: ( ) = π 4 ϕ e Q f = A b C N c + γ t D N q Ne segue, er quanto detto: T lim = carico ammissibile in esercizio! = s! ( ) " ( ) C N c + γ t D N q! id, amm % " # e $ # ( % ( * " & )* & " ) * + ("!# ) 8

9 T lim = Q f! = " 4 # $ e! # C# N c + % t # D# N q ( ) 4! "! T lim #!$ e = C! N c + % t! D! N q figura 6: vista assonometrica del modello alo - terreno Per un assegnato coefficiente di sicurezza η si uò isolare la rofondità D a cui va fermato il microalo: 4 η T lim π ϕ e C N c γ t N q = D Si elaborano alcune alicazioni numeriche er altrettante combinazioni φ e, φ,, s già laudite nell uso corrente e nella rassi tecnologica: diametro esterno mm diametro interno mm sire a giri asso mm sessore mm , , ,7 75 6/ , / 8 T lim t figura 8: contour degli sostamenti verticali figura 9: contour della tensione equivalente secondo Von Mises analisi agli elementi finiti (FEM) Il comortamento del alo nel terreno è stato studiato mediante analisi numeriche agli elementi finiti (FEM), al fine di conoscerne le reali otenzialità, verificarne il comortamento e tabularne la caacità ortante in ambienti con differenti caratteristiche geolitologiche. analisi FEM della caacità ortante del alo Per terreni di natura coesiva è stato ossibile studiare il comortamento non solo del alo originariamente brevettato a due sire, ma anche del alo multi sira, denominato galleggiante, totalmente infisso nel 9

10 cedimento (mm) 0,0 0-0, ,0 -,5 -,0 -,5-3,0-3,5-4,0 Diagramma carico-cedimento Forza alicata (kn) figura 7: tiica curva carico-cedimento er un alo in terreno coesivo terreno. Tale condizione raresenta uno seciale camo d imiego dei ali Geoal, articolarmente interessante nei casi in cui ci si trovi di fronte a terreni coesivi di notevole sessore. Per valutare gli stati di sollecitazione e di deformazione nel alo e nel terreno è stata alicata, alla testa del alo, una forza verticale rogressivamente crescente. In questo modo è stato ossibile determinare la curva carico-cedimento. Essa resenta un andamento tiico, in cui il rimo tratto è rettilineo, con deformazioni del terreno revalentemente elastiche. figura 0: rogressiva diffusione della zona lastica all aumentare del carico 0

11 Successivamente si osserva un raido incremento dei cedimenti, legato ai meccanismi di lasticizzazione, che si sviluano fino a giungere al cinematismo di rottura caratterizzato dalla formazione di una suerficie di scorrimento, che in rima arossimazione si uò considerare cilindrica, esterna alla sirale elicoidale. Lungo tale suerficie viene raggiunta la resistenza al taglio del terreno. figure e : schema numerico agli elementi finiti (FEM) Analizzando lo stato di tensione che si instaura nella sirale, si osserva come la sollecitazione sia massima nel rimo giro in basso e diminuisca nei giri successivi. Dal unto di vista strutturale deve quindi essere verificata la resistenza del rimo giro di sira. In terreni granulari si usa il alo caratterizzato da due soli giri di sira. In questi casi la sollecitazione massima interessa, quindi, tutta la sira, ed è ossibile che la resistenza ultima del alo venga raggiunta non er rottura del terreno ma er snervamento della sira alla base. figura 3: deformazioni lastiche della sira Si è ertanto resa necessaria un analisi strutturale del alo, ai fini di determinare il carico limite che orta alla lasticizzazione dell acciaio in corrisondenza della sezione maggiormente sollecitata. analisi FEM della resistenza strutturale del alo Il alo è stato studiato imlementando un modello numerico tridimensionale, volto a raresentare la articolare forma del alo Geoal. Per l acciaio si è assunto un comortamento lastico incrudente di tio isotroo, con criterio di snervamento di Von Mises. Per ogni modello di alo è stata considerata una ressione uniforme agente normalmente alla sira. Tale ressione è stata fatta crescere fino a raggiungere lo snervamento della sira; si è assunto quindi, come carico limite, il valore di ressione er cui si osserva la formazione di un diffuso stato di lasticizzazione lungo la sira.

12 Il alo Geoal è realizzato nel risetto della normativa vigente, sia er la qualità del rodotto che er la funzione cui è destinato, con articolare riferimento alle Norme Tecniche er le Costruzioni - D.M. 4 gennaio 008. Il alo Geoal è un rodotto brevettato: gli sono riconosciute infatti caratteristiche di unicità e originalità non riscontrabili in altri rodotti. È inoltre contraddistinto da marchio registrato in ambito comunitario euroeo, oltre che certificato nella qualità dei materiali e della lavorazione, con garanzia e tracciabilità sulla sua realizzazione. L originalità del alo Geoal è garantita da: Brevetto Industriale n rilasciato dal Ministero dello Sviluo Economico Italiano; Brevetto Industriale n rilasciato dal Ministero delle Attività Produttive Italiano; Marchio Geoal comunitario n rilasciato da U.A.M.I. (uff. registrazione marchi dell U.E.). Ogni alo Geoal è fornito dalla casa madre con l attestato di originalità e la scheda illustrativa e di conformità del rodotto all uso cui è destinato. Geoalitalia s.r.l. Via F. Bomben 8/A 300 Treviso Tel Fax info@geoalitalia.com