Norme Tecniche per il Progetto Sismico di Opere di Fondazione e di Sostegno dei Terreni

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1 1/58 ORDINE DEGLI INGEGNERI DELLA PROVINCIA DI BERGAMO Corso di aggiornamento professionale Dott. Ing. Giulio Pandini IX Corso Università degli Studi di Bergamo - Facoltà di Ingegneria Dalmine 21 novembre 2003 Norme Tecniche per il Progetto Sismico di Opere di Fondazione e di Sostegno dei Terreni PROF. EZIO FACCIOLI Ordinario di Costruzioni in Zona Sismica con la collaborazione di C. Lai, EUCentre (Pavia)

2 2/58 Sommario Oggetto e caratteristiche salienti delle norme tecniche Definizione azione sismica di progetto Requisiti del sito di costruzione: stabilità dei pendii Fondazioni superficiali e profonde Opere di sostegno dei terreni

3 3/58 Oggetto delle norme tecniche Le norme disciplinano: i requisiti a cui devono soddisfare i siti di costruzione e i terreni di fondazione in presenza delle azioni sismiche la progettazione di opere di fondazione e di sostegno dei terreni soggette ad azioni sismiche.scopo delle norme è assicurare che in caso di terremoto sia protetta la vita umana, siano limitati i danni e rimangano funzionanti le strutture essenziali agli interventi di protezione civile..

4 4/58 Resistenza al taglio nei terreni sciolti z a

5 5/58 Definizione Azione Sismica di Progetto

6 6/58 Zonazione sismica nazionale ZONA a g g g g g (dal Servizio Sismico Nazionale zone

7 (dal Servizio Sismico Nazionale Politecnico di Milano Zonazione sismica nazionale 7/58

8 8/58 Mappa (novembre 2003) dei valori di a max su suolo rigido, con periodo di ritorno 475 anni, base per la nuova zonazione sismica del territorio nazionale

9 9/58 Calcolo dell Azione Sismica di Progetto

10 10/58 Categorie del suolo di fondazione A- Formazioni litoidi o suoli omogenei molto rigidi caratterizzati da valori V S,30 superiori a 800 m/s, comprendenti eventuali strati di alterazione superficiale di spessore massimo pari a 5 m. B- Depositi di sabbie o ghiaie molto addensate o argille molto consistenti con spessori di diverse decine di metri, caratterizzati da un graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da V S,30 compresi tra 360 m/s e 800 m/s (ovvero N SPT > 50, o c u > 250 kpa) C- Depositi di sabbie e ghiaie mediamente addensate, o di argille di media consistenza, con spessori variabili da diverse decine fino a centinaia di metri, caratterizzati da valori V S,30 compresi tra 180 m/s e 360 m/s (ovvero 15<N SPT <50, oppure 70<c u <250 kpa)

11 11/58 Categorie del suolo di fondazione D- Depositi di terreni granulari da sciolti a poco addensati oppure coesivi da poco a mediamente consistenti, caratterizzati da valori V S,30 < 180 m/s (N SPT < 15, oppure c u < 70 kpa). E- Profili di terreno costituiti da strati superficiali alluvionali, con valori di V S,30 simili a quelli dei tipi C o D e spessore compreso tra 5 e 20 m, giacenti su di un substrato di materiale più rigido con V S,30 > 800 m/s. S1- Depositi costituiti da, o che includono, uno strato spesso almeno 10 m di argille/limi di bassa consistenza, con elevato indice di plasticità (PI > 40) e contenuto H 2 O, caratterizzati da V S,30 <100 m/s (10<cu<20 kpa) S2- Depositi di terreni soggetti a liquefazione, di argille sensitive, o qualsiasi altra categoria di terreno non classificabile nei tipi precedenti

12 12/58 Categorie del suolo di fondazione V S,30 = i= 1, N 30 h V i S i V S media i= 1, N t i h i t i Casi particolari: categorie S1,S2 studi speciali amplificazione stratigrafica

13 13/58 Tecniche di misura diretta del profilo di V S Prove sismiche in foro: Cross-Hole (ASTM D4428) Down/Up Hole Cono Sismico Suspension Logging Tomografia Sismica

14 14/58 Tecniche di misura diretta del profilo di V S Prova sismica cross-hole: Scopo: Misura profili V S, V P Cross-Hole Standard: Configurazione tipica della prova CH (ASTM D-4428M)

15 15/58 Milano Sito Palasport Sito CH

16 Politecnico di Milano Determinazione della categoria sismica del suolo di fondazione: 2)Dati Datiprova provach CHS1-S1bis S3-S3bis 1) (*) Valore stimato in base a NSPT (*) Valore stimato in base a NSPT Sito tipo D 16/58

17 17/58 Metodi di stima empirica del profilo di V S Correlazione di Ohta & Goto (1978) V S = C ( N ) ( z) f f (m / s) 60 A G C = costante = 68.5 (N 60 =N SPT ER/60) SUOLO ARGILLA SABBIA GHIAIA N 60 = numero colpi SPT per ER=60% z = profondità in metri f A = fattore di età del deposito f G = fattore del tipo di terreno f G ETÀ OLOCENE PLEISTOCENE f A

18 18/58 Metodi di stima empirica del profilo V S Validazione della correlazione di Ohta e Goto con prova CH, sito di Viadana

19 19/58 Calcolo dell azione sismica di progetto Spettro di risposta elastico - componente orizzontale

20 20/58 Calcolo dell azione sismica di progetto Spettro di risposta elastico - componente verticale

21 21/58 Calcolo dell azione sismica di progetto Fattore di amplificazione topografica (S T ) Morfologia Pendenza media α S T Pendii scoscesi isolati α > 15 <1.2 Larghezza in cresta molto inferiore alla larghezza alla base α 15 to 30 > 30 <1.4 <1.2

22 22/58 Requisiti del Sito di Costruzione e del Terreno di Fondazione

23 23/58 Il sito di costruzione e i terreni di fondazione in esso presenti devono essere esenti da: pericoli di instabilità dei pendii liquefazione rottura di faglia in superficie

24 Politecnico di Milano Inadeguatezza del sito di costruzione per instabilità di pendio Frana di Nigawa, Kobe /58

25 Politecnico di Milano Instabilità dei pendii Frana di Calitri, /58

26 26/58 VERIFICHE DI STABILITA DEI PENDII Si ammette la verifica con metodi semplificati di tipo pseudo-statico a meno di: - marcate irregolarità topografiche e/o stratigrafiche - pressioni interstiziali elevate o rilevanti perdite di rigidezza sotto carico ciclico Per S a g > 0.15 g l incremento di pressione interstiziale e la perdita di rigidezza sotto carico ciclico vanno considerate anche nelle verifiche pseudo-statiche (utilizzando prove sperimentali o correlazioni empiriche) Per pendii con inclinazioni > 15 e dislivello > 30 m, si raccomanda di incrementare l azione sismica con un coefficiente di amplificazione topografica S T Per la resistenza a taglio si raccomanda l uso di coesione non drenata per terreni coesivi e di resistenza a taglio ciclica non drenata per terreni non coesivi Quando l analisi pseudo-statica non e applicabile si raccomanda la verifica in campo dinamico

27 27/58 Stabilità dei pendii via d o tto su fo nd a zio n i d ire tte via d otto su fondazioni profonde F V F H su p e rfic ie d i sc iv o la m e n to critica F H F V su p e rfic ie d i sc ivo la m e n to critica

28 28/58 Stabilità dei pendii rilevato trinc e a F H F V sup e rfic ie d i sc ivola m e nto c ritic a opera di sostegno F H F V superficie di sc ivola m e nto critica

29 29/58 Terreni suscettibili alla liquefazione Si richiedono quando la falda freatica è superficiale ed il terreno comprende strati estesi o lenti spesse di sabbie sciolte sotto falda La verifica può essere omessa se: - il terreno sabbioso saturo è a profondità > 15 m - Sa g < 0.15 g e il terreno soddisfa almeno una delle condizioni seguenti: - contenuto in argilla > 20% con indice di plasticità > 10 - contenuto di limo > 35% con N 1 (60)* > 20 - frazione fine trascurabile e N 1 (60)* > 25 *(N 1 (60): N SPT normalizzato) Si accettano metodi di verifica propri dell ingegneria geotecnica, con un fattore si sicurezza minimo rispetto alla liquefazione pari a 1.25 Per terreni risultati suscettibili, con conseguenze su capacità portante e stabilità di fondazioni, occorre procedere con interventi di consolidamento e/o trasferendo il carico a strati più profondi

30 30/58 Fondazioni Superficiali: Calcolo Capacità Portante in Condizioni Statiche

31 31/58 contributo forze d attrito Capacità portante fondazioni superficiali contributo forze di coesione Terreni a grana grossa (sabbie e ghiaie) contributo del sovraccarico q lim 1 = γ' B Nγ ζ γ ζγ ζ γ ζ γ ζ γ ζ γ 2 + c' N c + q' N q ζ ζ cr qr ζ ζ cs qs r ζ ζ cd s qd ζ ζ d cb qb ζ ζ b cg qg ζ ζ ci g qi + + i + dove ζ γr ζ γs, etc, sono i fattori per: meccanismo di rottura geometria fondazione profondità fondazione inclinazione del carico inclinazione fondazione inclinazione piano campagna

32 32/58 Capacità portante fondazioni superficiali Verifiche SLU in accordo alla Normativa Italiana coefficiente sicurezza globale FS = q q lim amm q q 3.0 FS < 3 possibile in funzione di: importanza opera caratterizzazione geotecnica Eurocodice FS applicato a pressione netta coefficienti di sicurezza parziali

33 33/58 Fondazioni Superficiali: Calcolo Capacità Portante in Condizioni Sismiche

34 34/58 Si adotterà un solo tipo di fondazione per una data struttura, a meno che esistano unità dinamicamente indipendenti (es: pali e fondazioni superficiali insieme vanno evitati tranne che per ponti o condotte). Eventuali diminuzioni dell accelerazione di picco con la profondità devono essere < 65% del valore di progetto di superficie e comunque corredate da appositi studi. SOLLECITAZIONI DI PROGETTO Per strutture dissipative (alta duttilità) non si richiede che le sollecitazioni superino le resistenze degli elementi soprastanti, per strutture non- dissipative (bassa duttilità) le sollecitazioni saranno quelle ottenute dall analisi elastica. VERIFICHE PER FONDAZIONI DIRETTE (SUPERFICIALI O INTERRATE) Si richiede la verifica di stabilità rispetto al collasso per slittamento V sd < N sd tand + E pd forza orizzontale resistenza per resistenza attrito laterale e rispetto al collasso per rottura generale (p. es. secondo le formule EC8, Parte 5, App. F). Per contrastare spostamenti relativi orizzontali del suolo si richiedono collegamenti orizzontali tra fondazioni (tranne che per suoli tipo A, e suoli tipo B in zone 3 e 4 ) in grado di assorbire forze assiali variabili in funzione del tipo di suolo.

35 35/58 Superficie limite per i carichi esterni L Eurocodice 8 Parte 5 fornisce un unica espressione applicabile a terreni sia coesivi che granulari LD HD e/b = 0 LD HD e/b = 1/6 Vista 3D della superficie limite dei carichi Sezioni trasversali per forza orizzontale = 0 e per diverse eccentricità del carico

36 36/58 Valutazione semplificata degli effetti sismici sulla capacità portante di una fondazione superficiale Fattore Static di safety sicur. factor statico ζ/b ζ F Coefficiente sismico k h B = larghezza fondazione ζ = distanza dalla base del punto di applicazione della forza orizzontale B

37 37/58 Fondazioni Profonde Azioni Inerziali e Cinematiche

38 38/58 Verifiche per pali e pozzi di fondazione Devono essere progettati per resistere a due tipi di sollecitazione: Forze inerziali trasmesse dalla sovrastruttura Forze cinematiche (momenti flettenti) generate dalle deformazioni del terreno indotte dalle onde sismiche Le azioni cinematiche devono essere calcolate solo se si verificano simultaneamente le due seguenti condizioni: - profilo stratigrafico di suolo classe C o peggiore, con forti contrasti di rigidezza in strati consecutivi - zona a media o alta sismicità (1 o 2) I pali devono essere progettati in modo da rimanere in campo elastico, salvo casi speciali in cui si ammette la formazione controllata di cerniere plastiche per ottenere comportamento duttile.

39 39/58 Fondazioni Profonde: Azioni Cinematiche

40 40/58 Azioni cinematiche fondazioni profonde Azioni cinematiche indotte dal sisma sui pali in terreni stabili

41 41/58 Terremoto di Kobe, 1995: fratture lungo il fusto di pali causate da azioni cinematiche indotte dal sisma (NISEE slide collection)

42 42/58 Opere di Sostegno dei Terreni

43 43/58 Opere di sostegno dei terreni Le opere di sostegno devono essere progettate in modo da essere efficienti sia durante che dopo il terremoto, senza danni strutturali significativi. Eventuali spostamenti permanenti (dovuti a deformazioni irreversibili del terreno) possono essere accettati, se compatibili con requisiti strutturali Il materiale di riporto dietro la struttura deve avere granulometria controllata I sistemi di drenaggio dietro la struttura devono poter assorbire spostamenti transitori e permanenti Qualunque metodo consolidato della dinamica strutturale e dei terreni è accettato per verificare la sicurezza, purchè tenga conto di: - comportamento non lineare dei terreni - effetti inerziali - effetti idrodinamici in presenza d acqua - compatibilità delle deformazioni di terreno, opera ed eventuali tiranti.

44 44/58 ANALISI PSEUDO-STATICA STATICA Opere di sostegno dei terreni AZIONE SISMICA L azione sismica è rappresentata da un insieme di forze statiche orizzontali e verticali date dal prodotto delle forze di gravità per un coefficiente sismico La componente verticale va verso l alto o il basso secondo l effetto più sfavorevole e comunque può essere trascurata tranne che per muri a gravità I coefficienti sismici orizzontale (k h ) e verticale (k v ) possono essere ridotti con un fattore r : k h = S a g / r k v = 0.5 k h spostamenti (es: muri a gravità o suff. flessibili) r = 1 : con terreni non coesivi saturi r = 2 : per opere di sostegno che ammettono Per opere < 10 m i coefficienti sismici si possono assumere costanti lungo l altezza del muro Per opere > 10 m si consiglia un analisi di amplificazione verticale 1D in campo libero, così da poter meglio definire il valore medio di Sa g lungo l altezza della struttura.

45 45/58 Opere di sostegno dei terreni ANALISI PSEUDO-STATICA STATICA SPINTE DI CALCOLO DEL TERRENO E DELL ACQUA Forza E d risultante spinte statiche e dinamiche del terreno, applicata a metà altezza del muro (a meno di studi specifici) In presenza d acqua si deve distinguere tra condizioni di permeabilità dinamica e impermeabilità del terreno (condizioni essenzialmente non drenate) Spinta E d : E d =1/2 γ* (1±k v ) K H 2 + E ws H : altezza del muro E ws : spinta idrostatica γ* : peso specifico del terreno K : coefficiente di spinta del terreno (statico+dinamico) Il coefficiente di spinta K può essere calcolato con le formule di Mononobe e Okabe

46 x x Politecnico di Milano 46/58 Spinta delle terre in presenza di sisma Metodi pseudo-statici teoria di Wood (regime K 0 ) P d = k h γ H 2 F p componente dinamica fattore di spinta: F P (L/H, n) Ipotesi: opera di sostegno con pareti verticali superficie a tergo del muro orizzontale assenza acqua di falda struttura di sostegno rigida

47 47/58 Opere di sostegno dei terreni VERIFICHE DI RESISTENZA E STABILITA Terreno di fondazione devono essere soddisfatte le verifiche di stabilità dei pendii e le verifiche di collasso per slittamento e per rottura generale per fondazioni dirette. Per le azioni di calcolo si considerano: azioni gravitazionali permanenti, spinta orizzontale E d, azioni sismiche Sistema di ancoraggio deve assicurare l equilibrio del volume critico di terreno in presenza dell azione sismica con una sufficiente capacità di adattamento alle deformazioni sismiche indotte nel terreno. Durante il terremoto, il terreno deve mantenere integra la propria resistenza e mantenersi immune da liquefazione. La distanza della piastra di ancoraggio dal muro deve essere pari a: L e = L s ( S a g ) L s : distanza per carichi statici Resistenza della struttura sotto tutti i carichi e l azione sismica, deve essere garantito l equilibrio senza superare la resistenza di calcolo di tutti gli elementi strutturali: R d > S d R d : resistenza di calcolo dell elemento, valutata come per le condizioni non sismiche S d : sollecitazione di calcolo valutata con i procedimenti descritti

48 48/58 Esempio applicativo

49 49/58 Esempio applicativo: calcolo di una paratia Caratteristiche del terreno ϕ = 32 γ=20 kn/m 3 γ=21 β=5.7 E=25 MPa Angolo di attrito efficace Peso specifico Angolo di attrito opera/terreno (2/3 ϕ ) Pendenza terreno Modulo elastico terreno

50 50/58 Dimensionamento statico Spostamento testa (mm) Infissione (m) Usando un programma di calcolo di largo impiego si studia il legame tra lunghezza di infissione e spostamento in sommità della paratia Si determina la lunghezza di infissione minima. Nel caso in esame d0 = 5 m Applicazione di un fattore di sicurezza pari a 1.5 ottenendo una lunghezza di infissione pari a: d = 7.5 m Calcolo delle sollecitazioni interne, degli spostamenti e delle spinte orizzontali

51 51/58 Dimensionamento statico M (kn*m/m) S (mm) z (m) -6.5 z (m) Momento flettente Spostamento -12.5

52 52/58 Dimensionamento statico Diagramma delle spinte

53 53/58 Esempio applicativo: verifica sismica Si considera di realizzare l opera in Zona di tipo 2 caratterizzata da: ag = 0.25g Coefficiente di sito (terreno di categoria B/C) S=1.25 Coefficiente sismico (orizzontale): k h = ag S g r = Fattore r = 2 per opere di sostegno che tollerano spostamenti

54 54/58 Esempio applicativo: verifica sismica Metodo pseudostatico: riduzione del coefficiente di spinta passiva kp ed incremento del coefficiente di spinta attiva ka in accordo con il metodo di Mononobe- Okabe. Calcolo delle sollecitazioni interne nel manufatto, degli spostamenti e delle spinte in condizioni di carico sismico (applicato staticamente)

55 55/58 Esempio applicativo: verifica sismica M (kn*m/m) STATICO SISMICO - VECCHIA NORMATIVA SISMICO - NUOVA NORMATIVA Momento flettente -6.5 z (m)

56 56/58 Esempio applicativo: verifica sismica S (mm) Spostamenti -6.5 z (m) -7.5 STATICO DINAMICO - VECCHIA NORMATIVA DINAMICO - NUOVA NORMATIVA

57 57/58 Esempio applicativo: verifica sismica Diagramma delle spinte statiche Diagramma delle spinte totali

58 58/58 Esempio applicativo: verifica sismica Spostamento testa (mm) Infissione (m) Ripetizione dell analisi svolta per la fase statica per la determinazione della lunghezza di infissione minima. Nel caso in esame dd0 = 8 m Applicazione di un fattore di sicurezza pari a 1.5 ottenendo una lunghezza di infissione pari a: dd = 12 m Successivo calcolo delle azioni interne, spostamenti e spinte per l infissione dd