Le paratie: opere di sostegno provvisionali e definitive.

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1 Dispense del corso online Le paratie: opere di sostegno provvisionali e definitive. 13/11/2015 Docente: Ing. Luca Mancinelli GC24 1

2 INDICE Premessa 1. LE PIÙ DIFFUSE TIPOLOGIE DI OPERE DI SOSTEGNO 1.1 I criteri di scelta 1.2 Carattere provvisorio e/o definitivo 2. PARATIE DEFINITIVE: PALI E DIAFRAMMI 2.1 Le applicazioni, la posa in opera e le tecnologie realizzative 2.2 Le geometrie utilizzate 3. PARATIE PROVVISIONALI: PALANCOLE E MICROPALI 3.1 Le applicazioni, la posa in opera e le tecnologie realizzative 3.2 Le geometrie disponibili 4. I CONTESTI DI APPLICAZIONE 5. LA GESTIONE DELLE ACQUE 6. IL CALCOLO E LA VERIFICA STRUTTURALE 6.1 I principali schemi di paratia 6.2 I metodi di calcolo 6.3 Il metodo degli elementi finiti 6.4 Lo spessore equivalente 6.5 L utilizzo di tiranti e puntoni Le travi di ripartizione 6.6 La lunghezza di infissione 6.7 Le condizioni sismiche 6.8 La stabilità globale 7. IL MONITORAGGIO IN CORSO D OPERA 8. IL TEMA DELLA DEFORMABILITÀ 9. LE CONDIZIONI DI COLLASSO 10. IL PROGETTO 11. ESEMPIO DI CALCOLO: DIAFRAMMA CON UN ORDINE DI TIRANTI 11.1 Dati preliminari 11.2 Fasi di calcolo 11.3 Materiali impiegati 11.4 Calcolo secondo Norme tecniche per le costruzioni 11.5 Calcolo secondo EC7 12. APPROFONDIMENTO: I POZZI STRUTTURALI 13. APPROFONDIMENTO: GLI EUROCODICI 13.1 L Eurocodice APPROFONDIMENTO: SPECIFICHE SUL CALCESTRUZZO SECONDO LA UNI-EN 206 2

3 Premessa Il presente corso si prefigge di fornire all utente una visione generale delle differenti opere di sostegno provvisionali o definitive generalmente utilizzate nell ambito dei lavori civili. In particolare scopo del percorso è quello di evidenziare le caratteristiche delle differenti possibilità di intervento, tenendo in conto aspetti tecnologici, computazionali e normativi. Nel testo sono riportati richiami bibliografici e link che possono essere utili per approfondire vari temi. Viste le finalità del corso, sono stati evitati siti dal carattere commerciale privilegiando sostanzialmente pagine Wikipedia. 3

4 1. LE PIÙ DIFFUSE TIPOLOGIE DI OPERE DI SOSTEGNO Per opera di sostegno si intende generalmente una struttura che garantisca l equilibrio di una massa di terreno permettendo di ottenere un profilo di scavo verticale. Una prima classificazione di queste opere sta nella tipologia di materiali strutturali che le costituiscono, acciaio o calcestruzzo armato. Nel primo caso si evidenziano palancolati e paratie in micropali (dette anche berlinesi ), nel secondo caso paratie di pali (di medio e grande diametro) e di diaframmi. Le palancole sono lame di metallo munite di elementi di guida e connessione alle loro estremità (gargame); i vari elementi possono così essere connessi gli uni agli altri formando una cortina continua di presidio. Le paratie di micropali sono costituite da tubi metallici inseriti in fori e completate da un getto di cls. I vari tubi sono connessi da una trave di testa in c.a. (cemento armato) capace di fornire un certo grado di collaborazione alla struttura. Più i micropali sono vicini e robusti e più la paratia risulta rigida e resistente. Le paratie di pali possono essere costituite da pali separati (interasse maggiore del diametro), tangenti (interasse uguale al diametro) e secanti (interasse inferiore al diametro). Anche in questo caso i singoli pali sono connessi da una trave di testa in c.a. capace di fornire un certo grado di collaborazione alla struttura. Nel caso dei pali secanti l esecuzione dei lavori prevede la realizzazione di pali primari (dotati di una gabbia di armatura più piccola) e secondari (dotati di una gabbia di armatura più estesa); il palo secondario viene eseguito infatti fresando le porzioni laterali del palo primario. Le paratie di diaframmi possono essere costituite da diaframmi accostati gli uni agli altri (scavo attrezzato con benna mordente) o con una parziale sovrapposizione delle estremità (scavo attrezzato con idrofresa). In questo ultimo caso si prevede la realizzazione di pannelli primari (dotati di una gabbia di armatura più piccola) e secondari (dotati di una gabbia di armatura più estesa); come nel caso dei pali secanti, il diaframma secondario viene eseguito fresando le porzioni laterali del diaframma primario. Da un punto di vista computazionale il progetto di questo tipo di strutture rappresenta un attività molto delicata per la quale sono attualmente disponibili strumenti molto affidabili e sofisticati. Le simulazioni numeriche possono essere sviluppate considerando le varie configurazioni geometriche legate alle attività di scavo, alla presenza di tiranti o puntoni, alla presenza di carichi di varia natura, alle caratteristiche geotecniche e di falda. Questi studi, fortemente non lineari, obbligano a prestare particolare attenzione nella scelta dei parametri e dei modelli costituitivi (legami sforzi-deformazioni) dei materiali geotecnici coinvolti considerati. Interessanti spunti sulle tecnologie oggetto del presente corso sono contenute nella pagina wikipedia 4

5 1.1 I criteri di scelta Le diverse tipologie di opere di sostegno possiedono caratteristiche diverse da molti punti di vista. Un elenco di riferimento, certamente non esaustivo, delle principali voci che possono influenzare e condurre a una decisione è il seguente necessità di opera temporanea o definitiva; contesto geotecnico; condizioni idrauliche; livello di deformabilità richiesto per l opera (palancole e micropali sono opere più deformabili di pali e diaframmi); impatto del cantiere (in termini di rumore, polveri, vibrazioni, ); spazi di lavoro (le macchine per la posa di palancole e micropali sono più piccole rispetto a quelle impiegate per pali e diaframmi); tempistiche; facilità nell approvvigionamento dei materiali e/o delle macchine necessarie per la posa, budget ed elementi di tipo contrattuale. 5

6 1.2 Carattere provvisorio e/o definitivo Le opere di sostegno possono avere carattere provvisionale e/o definitivo. In termini generali palancole e micropali sono opere di tipo provvisionale, pali e diaframmi possono essere impiegati anche con funzione di lungo termine, risultando quindi opere di tipo definitivo. Esistono situazioni in cui anche pali e diaframmi, nonostante possano facilmente essere progettati per il lungo termine, non vengono utilizzati per questo scopo, demandando il supporto delle acque e delle terre ad altre strutture appositamente realizzate, come avviene sovente per le stazioni delle metropolitane. 6

7 2. PARATIE DEFINITIVE: PALI E DIAFRAMMI La realizzazione di paratie in pali e diaframmi ( occupa oggi una posizione di discreto rilievo negli ambiti di infrastrutture e edilizia (Mancinelli L Paratie in diaframmi di calcestruzzo, Flaccovio). Queste strutture sono costituite sostanzialmente da pareti di calcestruzzo armato utili sia in fase temporanea (presidio agli scavi) sia in fase definitiva: la posa di gabbie di armatura con opportuni copriferri e calcestruzzi fa sì che esista una vera garanzia delle strutture nel tempo. Se adeguatamente dimensionati in termini di lunghezza, schema di presidio (numero, tipo e disposizione di puntoni e/o tiranti), diametro e interasse nel caso dei pali e spessore nel caso dei diaframmi, queste strutture assicurano spostamenti contenuti, aspetto spesso molto importante e vincolante durante le fasi di lavoro, con un buon sfruttamento dei materiali che li costituiscono. Diversamente da opere di sostegno generalmente più leggere, quali palancole o micropali, le paratie di pali e diaframmi necessitano di attrezzature di cantiere più onerose come, per esempio, gli impianti per la gestione della bentonite; la loro fasistica esecutiva prevede inoltre operazioni di scavo e, di conseguenza, di smaltimento di terreno. Questi aspetti fanno sì che il loro impiego sia di fatto vantaggioso per interventi di discreta entità. 7

8 2.1 Le applicazioni, la posa in opera e le tecnologie realizzative La tecnologia delle paratie in pali o diaframmi di calcestruzzo (cls) è ormai molto diffusa. Essa ha il vantaggio di mettere a disposizione elementi di sostegno dotati di una certa rigidezza che possono essere utilizzati non solo durante le fasi di lavoro ma anche per la vita intera dell opera in costruzione. Le possibilità realizzative sono sostanzialmente le seguenti. Paratie di pali: perforazione mediante trivella, posa delle gabbie di armatura e getto di cls. Paratie di diaframmi: impiego della benna mordente, un utensile di scavo costituito da due pale, adatto per lo scavo in tutti i tipi di terreno o impiego di idrofresa, una macchina capace di scavare in rocce non eccessivamente dure, più impegnativa per ciò che concerne costi e modalità di impiego. Figura Particolare benna mordente Figura Idrofresa 8

9 Al di là dello scavo, l esecuzione di una paratia in pali o diaframmi percorre passi comuni, costituiti dal calaggio delle gabbie di armatura e dal getto di calcestruzzo. In fase di progetto è possibile definire copriferri utili a garantire un opportuna durabilità delle strutture e a contenere il livello di apertura delle fessure al disotto dei limiti normativi. Le gabbie di armatura, in genere preassemblate a moduli trasportabili, sono costituite da ferri longitudinali, staffe, ferri costruttivi di irrigidimento, questi ultimi utili a evitare svergolamenti in fase di trasporto, assemblaggio e posa in opera. La realizzazione delle paratie è preceduta da quella di due cordoli guida che assicurano il tracciamento e consentono alle macchine di operare secondo le opportune geometrie, senza deviazioni o errori. Tali elementi sono realizzati in calcestruzzo debolmente armato e demoliti alla fine dei lavori. Il completamento delle paratie avviene con la realizzazione di una trave di testa che collega i vari elementi strutturali (pali o pannelli). Questo elemento crea una collaborazione trasversale e possiede una importante funzione di ripartizione delle azioni locali. Le fasi di scavo possono avvenire in un unica soluzione se le opere di sono del tipo a mensola ; la presenza di tiranti o puntoni obbliga a ribassi successivi, intervallati dalla posa di questi elementi di supporto. Nel caso di pali o di diaframmi realizzati mediante benna mordente le fasi prevedono preparazione delle aree e realizzazione cordoli guida in c.a.; scavo con sostegno di bentonite o polimeri; disposizione della gabbia di armatura; getto del calcestruzzo con recupero della bentonite; realizzazione trave di testa. Nel caso di diaframmi con idrofresa le fasi realizzative prevedono preparazione delle aree e realizzazione cordoli guida in c.a.; fresatura; disposizione della gabbia di armatura; getto del calcestruzzo; realizzazione trave di testa. Le figure seguenti illustrano alcune applicazioni e dettagli relativamente alle opere in oggetto. 9

10 Figura Operazione di calaggio gabbia Figura Realizzazione tiranti 10

11 Figura Diaframmi puntonati Figura Paratia di diaframmi durante la posa dei tiranti NB: Nel caso dei diaframmi, diversamente dagli altri tipi di opera di sostegno, i tiranti sono alloggiati direttamente sui pannelli, senza travi di ripartizione. Per ogni ordine si prevedono generalmente uno o due tiranti, con le opportune predisposizioni in termini di gabbie di armatura. 11

12 2.2 Le geometrie utilizzate Le paratie in diaframmi sono sostanzialmente pareti in calcestruzzo armato realizzate all interno del terreno per procedere, in genere, ad attività di scavo. La tecnologia più usuale per la loro realizzazione è quella della benna mordente, adatta per i terreni. Una alternativa è rappresentata dall idrofresa, impiegabile anche in ambito di rocce tenere. I diaframmi vengono generalmente realizzati con moduli da 2.50 m e spessori che vanno da 0.40 m a 1.50 m. A seconda dei produttori sono possibili però geometrie differenti sia in termini di modulo sia di spessore. In fase di progettazione è indispensabile una interazione con chi realizzerà le opere al fine di proporre opportune geometrie. Lavorando con la benna mordente è possibile attrezzare lateralmente i diaframmi con giunti maschiati che conferiscano al sistema un migliore comportamento di insieme (collaborazione tra pannelli adiacenti). Un trattamento locale di seconda fase lungo i giunti può migliorare la tenuta idraulica o sanare temporaneamente alcune mancanze nella sigillatura. A tal fine si ricorre a iniezioni di miscele cementizie o, più raramente a colonne in jet-grouting ( Queste ultime hanno una ottima resa ma sono realizzate con pressioni di lavoro molto alte, aspetto che può diventare una criticità per la statica locale delle strutture. È bene sempre tenere presente che comunque, in presenza di falda superficiale o comunque di notevoli quantità di acqua, si tende a non affidare alla paratia una funzione di presidio idraulico nel lungo periodo. La costruzione di contropareti interne in c.a. risulta di fatto una migliore garanzia. Figura Giunto laterale tra pannelli di diaframma. Figura Intervento di sigillatura locale di seconda fase. Nel caso di sbalzi molto elevati o dell impossibilità di predisporre sostegni quali tiranti o puntoni è possibile realizzare diaframmi a T, dotati di notevole inerzia. Essi sono il frutto dell unione di due diaframmi rettangolari e le geometrie sono dunque legate a quanto già esposto. 12

13 Figura Diaframmi a T. La lunghezza dei diaframmi non ha particolari limiti, se non quelli legati alla tecnologia di scavo: le idrofrese garantiscono profondità superiori e un miglior contenimento degli inevitabili errori di verticalità nella realizzazione. Le gabbie di armatura vengono generalmente fornite in moduli di lunghezza massima pari a 12.0 m. Per diaframmi più lunghi esse vengono assemblate prima della posa in opera. Le gabbie possono essere realizzate a piè d opera oppure in stabilimento, direttamente dal produttore. Nel caso di utilizzo di idrofresa diviene possibile creare una cortina di paratia praticamente continua con una fasistica esecutiva che prevede la realizzazione di diaframmi in maniera alternata, generalmente definiti primari (P) e secondari (S), con una piccola sovrapposizione laterale. Le gabbie per i due tipi di pannelli sono generalmente differenti. Figura Schema realizzativo diaframmi con idrofresa. Le paratie di pali sono in genere costituite da pali trivellati con diametri dei singoli elementi che vanno dai 60 cm ai 150 cm. Esse possono essere costituite da pali separati (interasse maggiore del diametro), tangenti (interasse uguale al diametro) e secanti (interasse inferiore al diametro). Anche in questo caso i singoli pali sono connessi da una trave di testa in cemento armato capace di fornire un certo grado di collaborazione alla struttura. In genere la scelta dei pali secanti ben si coniuga con necessità di presidio idraulico laterale. Nel caso dei pali secanti gli elementi primari sono dotati di una gabbia più piccola, quelli secondari di una gabbia più grande. 13

14 Figura Schema realizzativo pali. A livello realizzativo le tecnologie prevedono la possibilità di perforare a secco laddove i terreni non richiedano alcun sostentamento del foro, per esempio in ambiti argillosi, limosi compatti e marnosi. Più comunemente i pali sono realizzati con l ausilio di fanghi bentonitici o di polimeri capaci di sostenere le pareti dello scavo. In entrambi i casi, terminato lo scavo, si procede con la posa in opera della gabbia d armatura e con il getto del calcestruzzo. L eventuale bentonite o i polimeri usati durante la fase di scavo vengono recuperati contemporaneamente al getto, per essere smaltiti o riutilizzati. Esistono altri tipi di lavorazione per la costruzione di pali: di seguito si citano i più diffusi. Il palo incamiciato vede una perforazione con rivestimento del foro tramite tubi metallici, utili al sostegno dello scavo. In fase di getto tali presidi, spesso impiegati unicamente per la porzione sommitale dei pali, vengono recuperati. Il palo CFA (Continuos Flight Auger - viene realizzato tramite l infissione di un elica continua assemblata su un tubo centrale cavo. Al termine delle fasi di scavo l estrazione dell elica avviene in contemporanea al getto del calcestruzzo pompato dall interno dell elica stessa. Il palo può essere armato tramite la posa di gabbie inserite nel calcestruzzo ancora fresco. Il palo FDP (Full Displacement Pile) o costipato prevede una perforazione che comprime il terreno del palo verso l esterno utilizzando un apposito utensile. L estrazione di quest ultimo avviene contemporaneamente al getto del calcestruzzo pompato dall interno. Anche in questo caso Il palo può essere armato tramite la posa di gabbie inserite nel calcestruzzo ancora fresco. Caratteristica degli ultimi due sistemi è l assenza dei fanghi bentonitici, polimeri o di tubi forma di rivestimento. 14

15 Figura Dettaglio paratia di pali secanti in fase di ribasso, già dotata di trave di testa in c.a. e di puntoni di contrasto in acciaio. Figura Dettaglio gabbie di armatura pali. 15

16 Estratto delle dispense del corso online Le paratie: opere di sostegno provvisionali e definitive disponibile sulla piattaforma e-learning per professionisti tecnici Geocorsi. Ogni corso è valutato in termini di crediti formativi nelle misure previste dai Consigli Nazionali dell'area tecnica di riferimento. Accedi alla scheda del corso per tutti i dettagli. Per informazioni: info@geocorsi.it 16