Criteri moderni per il progetto delle fondazioni su pali

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1 Criteri moderni per il progetto delle fondazioni su pali Carlo Viggiani Università di Napoli Federico II Sfida dell Ingegneria Geotecnica Essere basata sul metodo scientifico ma anche ancorata nella realtà fisica che ne costituisce lo scenario

2 Rapporti fra Ingegneria e Scienza Il progetto di una fondazione su pali comporta, fra l altro: Previsione del carico limite Previsione del cedimento

3 CENTRO DIREZIONALE DI NAPOLI 2 prove di carico a rottura su pali pilota gettati in opera Trivellati (con tubazione di rivestimento, con fanghi bentonitici, a secco)(pat, pali ad asportazione di terreno) Trivellati ad elica continua (continuous flyght auger, CFA) Infissi (Pali a spostamento di terreno, Franki) d =,35-2, m; L = 9,5-42, m; L/d = Tipo di palo (Q lim /W p ) av COV(Q lim /W p ) PAT 12,1 (1),26 CFA PST 37,5 ( 3),25 73,1 ( 6),8 Cedimento delle fondazioni su pali Importante Molto spesso trascurabile in presenza di stratificazioni profonde di terreni compressibili per fondazioni di grandi dimensioni Metodi di analisi delle fondazioni su pali in condizioni di esercizio per prevederne i cedimenti (normativa) per interazione terreno struttura (progetto strutturale) per esplorare strategie alternative: pali per il controllo dei cedimenti assoluti e differenziali

4 Pali di prova: Q = 3 t; w = 6 mm 1. pali di legno Cedimento dell edificio Previsione ingenua 3 mm Previsione scientifica, con terreno omogeneo 8 mm Misurato, termine costruzione 4/1 mm Misurato, 2 anni dopo t.c. 12/15 mm Finale sconosciuto (edificio demolito) > 5 mm Charity Hospital, New Orleans Fra gli ingegneri vi è la diffusa convinzione che prevedere il cedimento di una fondazione su pali sia molto più difficile che prevederne il carico limite Illustri precedenti

5 Because of the wide variety of soil conditions encountered in practice, any attempt to establish rules for the design of piled foundations necessarily involves radical simplifications, and the rules themselves are useful only as a guide to judgement. For the same reason, theoretical refinements in dealing with pile problems, such as attempts to compute by means of the theory of elasticity, are completely out of place and can safely be ignored (Terzaghi, Peck, 1948) (Terzaghi, Peck, 1966) Because of the wide variety.. theoretical refinements are of questionable value. (Terzaghi, Peck, Mesri, 1996) Cooke, 1986

6 Ipotesi: piastra rigida non a contatto con il terreno pali elastici e mutuamente indipendenti R s = w (gruppo) w(palo) = 1 Q i = V n + Ve n i= 1 x x 2 i x i + Ve n i= 1 y y 2 i y i Things should be as simple as possible......but not simpler! A. Einstein

7 Profili di cedimento dei pali singoli Superficie del terreno Profilo di cedimento del gruppo Interazione fra i pali di un gruppo Cedimento del gruppo maggiore del cedimento del palo singolo pali pali 1 Rs Numero ndei pali n Evidenza sperimentale il cedimento aumenta al crescere del numero di pali

8 Ripartizione dei carichi fra pali e piastra; evidenza sperimentale Solo 22 casi ragionevolmente documentati O O O Ag O O O O O O B L A = B L = area della piastra Ag = area occupata dai pali Pali spalmati sotto tutta la piastra: Ag/A 1 Pali concentrati al centro della piastra Ag/A < 1 Nello schizzo, Ag/A = 5% raft load [%] Evidenza sperimentale: la piastra trasmette direttamente al terreno una percentuale non insignificante del carico applicato s/d 11 casi; Ag/A >.83

9 1 raft load [%] s/d 22 casi;.55 < Ag/A < raft load [%] (s/d) / (A g /A) Evidenza sperimentale: la ripartizione dei carichi fra piastra e pali dipende anche dal modo con cui sono disposti i pali (A g /A)

10 ratio of pile loads Distribuzione del carico fra i pali; evidenza sperimentale Edge/Center corner Corner/Center s/d o o o o o o o o o o o o o o o edge Evidenza sperimentale: La distribuzione del carico fra i pali non è uniforme; i pali periferici (spigolo, lato) sono più caricati Metodi per la previsione dei cedimenti delle fondazioni su pali metodi empirici metodi delle equivalenze metodo delle curve di trasferimento metodi ad elementi di contorno metodi ad elementi finiti

11 w = Q EL I = w Q s w 1 Q i s Q j w w ( Q α + Q α ) = w ( Q + Q α ) i = 1, i i ii j ij 1 i j ij L e, per n pali: w n = w1 αij i Q j j= 1 d Metodo dei coefficienti di interazione

12 Esempio di coefficienti di interazione Confronto fra Gruppalo ed altri programmi, elasticità lineare (Mandolini, 1994)

13 Considerazione della non linearità (Caputo, Viggiani, 1984) α ij = cost (i j) α ii = α jj 1 = Q 1 Q lim Non linearità concentrata all interfaccia paloterreno; curva carico-cedimento del palo singolo di forma iperbolica; procedimento incrementale Dati sull interazione fra pali; S. Giovanni a Teduccio (Pellegrino, 1959; Caputo, Viggiani, 1984)

14 Carico Q w sl L w snl Palo singolo NL w snl R s w sl R s w sl + w snl LS Gruppo Cedimento w R s (w sl + w snl )

15 1.5m 1.8m 5 1.5m Plinto 4.1m 1.5m Ep = 27,51MPa Preforo hp = 1.37 m Riporto 1.5m 2.4m E1 E2 = 1.6E1 L = 9.15m Sabbia di dragaggio E3 =.55E1 9.1m d =.273m 12.2m E4 =.73E1 Alternanze di sabbie e argille dure Roccia 14.5m E5 =.64E1 Carico (kn) Cedimento (mm)

16 Carico (MN) L 5 Ingrandimento LS NL 1 Misurati Cedimento (mm) Palo A 3 MOS 14 4A misure di cedimenti PF 4 PF 12 CPT prima dell'installazione PF 2 MOS 6 PF 7 MOS 9 PF 11 2,9 φ 8,36 34,3m CPT dopo l'installazione palo MOS 1 Palo 585 2,9m 85,1m PF 2 PF 7 MOS 16 MOS 1 MOS 9 PF 12 PF 11 MOS 14 5 qc Pile tip,52 qc -5 qc level qc, qc (MN) qc (MN) m , E1 E2 = 33,3 E1 E3 = 2 E1 E4 = 26,7 E1 E5 = 3,7 E1 E6 = 14 E1 E7 = 8,7 E1 Riporto Sabbia argillosa Argille di media consistenza Sabbie addensate Argille consistenti Sabbia più o meno limosa Argille consistenti Sabbie addensate Argille CPT prima dell'installazione CPT dopo l'installazione E8 = 66,7 E1 Sabbie molto addensate

17 Carico (kn) Palo kN carico medio 2 3 Palo 85 Cedimento (mm) Distanze lungo la piastra (m) L NL 2 LS Misurati Cedimenti (mm) Poulos (1993)

18 Cedimenti medi Cedimenti differenziali < w calcolato (mm) L 1% 2% -2% -1% δ calcolato (mm) L, NL 1% 2% -2% -1% 1 a) 1 d) w calcolato (mm) NL 1% 2% -2% -1% δ calcolato (mm) % 2% -2% 1 LS -1% 1 1 b) 1 e) w calcolato (mm) % 2% 1 LS -2% -1% w misurato (mm) c) δ misurato ( ) Dati relativi a n. 42 palificate in vera grandezza 4 n 6.5 1,8 s/d 7 15 L/d 125

19 Ponte sul Garigliano

20 Ponte strallato sul Garigliano. Pila n 7 Ponte sul Garigliano Pila 7 Carico totale 113 MN Carico limite della piastra 112 MN Carico limite del palo singolo 3 MN Coefficiente di gruppo,7 Coefficiente di sicurezza con progetto convenzionale (n = 144) 144 3,7 FS = = 2,6 113

21 Sezione A - A pali trivellati d =,8m; L = 12m pali multiton B 19, m A A B 1,6 m Sezione B - B Pali strumentati

22

23 Carico (MN) Cedimento (mm) Misure Piastra senza pali GRUPPALO n.d. NAPRA n.d. GRUPPALO d. NAPRA d.

24 Carico (MN) Cedimento (mm) Misure Piastra senza pali GRUPPALO n.d. NAPRA n.d. GRUPPALO d. NAPRA d.

25 Angolo Carichi (kn) Centro Angolo Carichi (kn) Centro ,8 m X Pianta della fondazione (351 pali; d = 45mm; L = 13m) 44 m Y X 1,6 m Stonebridge Park Londra 1,63 m Y Quadrante strumentato 13 m 16 x 2,6 = 41,6 m,9 m Sezione X - X Sezione Y - Y

26 Stonebridge Park Carico totale 156 MN Carico limite della piastra 7 MN Carico limite del palo singolo 1,6 MN Coefficiente di gruppo,7 Coefficiente di sicurezza con progetto convenzionale (n = 351) 351 1,6,7 FS = = 2,5 156

27 Carico (MN) Cedimento (mm) Misure NAPRA n.d. NAPRA d. CRITERI DI PROGETTO INNOVATIVI DI PIU CON MENO Protezione dell ambiente Risparmio di risorse Sviluppo sostenibile Eleganza Every baby roach looks pretty to his mom

28 Ma c è spazio per questi discorsi nel campo delle fondazioni su pali? Hansbo, Kallstrom, edifici a Götheborg

29 Burland, Kalra, 1986 Queen Elisabeth Conference Centre, Londra Katzenbach et al., 1997 Frankfurt Main

30 Messeturm 1988/91 Messeturm

31 American Express 1991/92 Japan Centre 1994/96 Japan Centre

32 Commerzbank, Frankfurt Ponte sul Garigliano

33 Stonebridge Park 25 δ (mm) Ag/A = 82% Ag/A = 88% 5 Ag/A = 3% Ag/A = 54% numero di pali

34 UN LABORATORIO A CIELO APERTO Il Centro Direzionale di Napoli 86.5 m Y m Y2 4. m 47.1 m Tower U benchmark for optical survey Tower A Holiday Inn e Torre Uffici 2 torri di altezza fuori terra H = 86,5 m 86.5 m 2 platee indipendenti: 4mx32,7m q max =,16 MPa; q lim = 1,7 MPa; FS > 1 w av 2 mm (Burland & Burbidge, 1984) cedimenti elevati PALI Y m Y2 4. m 47.1 m Tower U benchmark for optical survey Tower A

35 4. m 47.1 m 2 torri di altezza fuori terra H = 86,5 m 86.5 m 2 platee indipendenti: 4mx32,7m q max =,16 MPa; q lim = 1,7 MPa; FS > 1 w av 2 mm (Burland & Burbidge, 1984) cedimenti elevati PALI Y3 Nel rispetto del vigente D.M. 1988, la soluzione adottata è stata: 32.7 m Tower U benchmark for optical survey Tower A Y2 637 pali CFA, d = 6 cm, L = 2 m distance across the slab [m] Calibrazione computed, piled del modello raft 86.5 m settlement [mm] computed, unpiled raft alignment Y2 alignment Y m 4. m 47.1 m Tower U Tower A benchmark for optical survey Y3 Y2 w max 32 mm Δw max 13 mm

36 4. m 47.1 m m Ag/A =.3, s/d m m Ag distributed load concentrated loads 1. m 1.6 m 2.4 m 32.7 m Tower U Tower A Y3 Y2 Usando 318 pali ben disposti w max + 1% (da 32 a 35 mm) Δw max - 25% (da 13 a 1 mm) benchmark for optical survey - 5% Viadotto in Val d Agri (Basilicata) Carico massimo di progetto sulle pile nn. 1, 2 e 3: 1 MN Prima soluzione: Fond. superficiale (1,6x7,6 m 2 ; s = 1,8 m) Nessun problema di carico limite FS > 3 (D.M. 88) Cedimento massimo atteso: 7 8 cm (elevato) pali

37 Carico massimo di progetto sulle pile nn. 1, 2 e 3: 1 MN Pali: FS = 2,5 (D.M. 88) Q lim = 25 MN Carico limite palo singolo: Q lim,s 2,2 MN Numero minimo di pali: 12-5% Soluzione con 5 pali

38 Aliquota di carico trasferito al contatto platea-terreno: β 8% Aliquota di carico trasferita dai pali al terreno: β 2% Massimo cedimento misurato dopo un anno: 5 mm (stabilizzato) Serbatoi per lo stoccaggio di soda nel Porto di Napoli Length (m) B = 8,1 m H = 12,8 m C = 68 mc 4 B = 8,1 m H = 12,8 m C = 68 mc B = 8,1 m H = 12,8 m C = 68 mc 5 B = 8,1 m H = 12,8 m C = 68 mc B= 9,9 m B= 9,9 m H = 1,23 m H = 1,25 m C = 8 mc C = 8 mc 6 7 S3 CPT1 D= 1,6 m B= 1, m H = 15, m H = 15, m C = 132 mc C = 12 mc S B = 7,95 m B = 6,97 m H = 1,6 m H = 1,5 m C = 495 mc C = 38 mc 8 9 B= 1, m H = 15, m C = 12 mc 14 B = 6,97 m H = 1,3 m C = 38 mc 1 B= 12, m H = 15, m C = 17 mc S1 12 B = 8, m H = 11,93 m C = 588 mc 1A D = 1-12 m H = 15 m V = m CPT2 γ soda = 15 kn/m 3 Bore holes, SPT N CPT N SPT SPT q C 1 2 [MPa] q c [MPa] 3 P =18-25,5 MN Made ground 5.25 m 1 SPT1 SPT2 SPT3 Slightly silty sand 2 CPT2 CPT1 Silty sand 25 m 3 m z [ m ]

39 Length (m) B= 9,9 m H = 1,23 m C = 8 mc B= 9,9 m H = 1,25 m C = 8 mc B = 7,95 m H = 1,6 m C = 495 mc B = 6,97 m H = 1,5 m C = 38 mc B = 6,97 m H = 1,3 m C = 38 mc B = 8, m H = 11,93 m C = 588 mc A B = 8,1 m H = 12,8 m C = 68 mc 4 B = 8,1 m H = 12,8 m C = 68 mc B = 8,1 m H = 12,8 m C = 68 mc 5 B = 8,1 m H = 12,8 m C = 68 mc D= 1,6 m H = 15, m C = 132 mc S2 11 S3 CPT1 B= 1, m H = 15, m C = 12 mc 13 B= 1, m H = 15, m C = 12 mc 14 B= 12, m H = 15, m C = 17 mc S1 12 Platea FS R > CPT2 Bore holes, SPT N CPT N SPT SPT q C 1 2 [MPa] q c [MPa] 3 Carichi statici w R = 9-1 mm Made ground 5.25 m 1 SPT1 SPT2 SPT3 Carichi ciclici w R = mm Slightly silty sand 2 CPT2 CPT1 Silty sand 25 m 3 m z [ m ] Approccio convenzionale 128 pali CFA d =,6 m, L = 11,3 m FS p = 2,5 w = mm Lenght (m) Approccio innovativo 52 pali CFA d =,6 m, L = 11,3 m Lenght (m) FS p =? w max =? Dw max =?

40 -5 Carichi [MN] w27 w w [mm] 15 2 w3 w max = 35 mm Δw max = 15 mm Celle di carico VW sui pali Russo et al., 24 1,..., 4 Benchmarks Instrumented piles 3 35 P i/pave pile 4 pile 43 pile 46 pile 49 pile Measured Calculated pali 3 pali 4 pali 5 pali Plinti con i pali disposti ai vertici di un poligono regolare I carichi esterni si ripartiscono fra i pali in modo uniforme per simmetria. Le caratteristiche della sollecitazione si ottengono con considerazioni di solo equilibrio

41 s s s,87s s s 1.41s s s 5 pali 6 pali 7 pali 8 pali s s s,87s s,87s s 9 pali 1 pali 11 pali Usuali configurazioni di piccoli gruppi di pali Plinto a 5 pali con carico concentrato Q Senza interazione fra i pali carico su ciascun palo Q i =.2Q plinto a 4 pali con Q =.8Q Con interazione fra i pali carico sui pali di spigolo =.23Q carico sul palo centrale =.7Q plinto a 4 pali con Q =.93Q incremento del 16%

42 O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O Gruppo 5x5 Carico concentrato in asse Q Carico uniformemente ripartito Q/B 2 B

43 Serbatoi per soda caustica nel porto di Napoli Made ground Slightly silty sand 17 Silty sand m 25 m 3 m 1 2 z [ m ] NSPT SPT1 SPT2 SPT Lenght (m) q C [MPa] CPT CPT1 pile load [%] pile load [%] May 23-May Tank S12 6-Jun Tank S14 6-Jun Pile load [%] Total applied load 2-Jun 4-Jul 18-Jul Pile load (%) Total applied load 2-Jun 4-Jul 18-Jul 1-Aug 1-Aug total applied load [kn] total applied load [kn] Influenza di cicli di carido e scarico sulla distribuzione del carico fra i pali Serbatoi per soda caustica nel porto di Napoli pile 33 pile 36 pile 39 pile 4 pile 43 pile 46 pile 49 pile pile load [kn] Maximum load Unload Influenza di cicli di carico e scarico e di strutture adiacenti sulla distribuzione di carico fra i pali

44 Pila n. 7 del ponte sul Garigliano corner edge internal under the pier Time Carico per palo normalizzato Spigolo Bordo Centro Sotto pila Termine costruzione anni dopo t.c anni dopo t.c La rivincita di Winkler? Creep della piastra in c.a.? Theory and calculations are not substitute for judgement but are the basis for sounder judgement

45 Nicht ist so praktisch wie eine gute theorie! (Immanuel Kant) Istruzioni per l uso