ANALISI E PROGETTAZIONE DELLE FONDAZIONI

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1 Università degli Studi di Napoli Federico II Seconda Università degli Studi di Napoli Università degli Studi di Salerno Università degli Studi di Napoli Parthenope Università degli Studi del Sannio Università degli Studi Roma La Sapienza Dottorato di Ricerca in Ingegneria Geotecnica ANALISI E PROGETTAZIONE DELLE FONDAZIONI Struttura del corso Giovedì Lezione 1 Criteri generali di progettazione Lezione 2 Quadro normativo di riferimento Lezione 3 Fondazioni superficiali (1) Giovedì Lezione 4 Fondazioni superficiali (2) Lezione 5 Pali soggetti a carico assiale Esercitazione 1 Fondazioni soggette a carichi verticali Giovedì Lezione 6 Sperimentazione su pali (1) Lezione 7 Sperimentazione su pali (2) Esercitazione 2 Pali soggetti a carichi trasversali Giovedì Lezione 8 Effetti di gruppo (Rigidezza) Lezione 9 Effetti di gruppo (Resistenza) Esercitazione 3 Gruppi di pali Giovedì Lezione 10 Fondazioni miste platee su pali Lezione 11 Ottimo progettuale VERIFICA FINALE

2 Katzenbach et al., 2000: a new understanding of soil-structure interaction is required if the contribution of both the raft and the piles has to be taken into account for achieving an optimum design

3 OPTIMUM DESIGN Russo & Viggiani (1998), de Sanctis et al. (2002): a design achieving maximum economy of the solution while keeping a satisfactory behaviour + Settlement, Stress 2 1 Cost +

4 OPTIMUM DESIGN (curve 1 case 1) + Settlement, Stress s adm Does a solution exist in order to satisfy a given criteria? YES Cost +

5 OPTIMUM DESIGN (curve 1 case 2) + Settlement, Stress s adm Does a solution exist in order to satisfy a given criteria? s NO Cost +

6 OPTIMUM DESIGN (curve 1 case 3) + Settlement, Stress s adm Cost Does a solution exist in order to satisfy a given criteria? + s YES, But too costly A change in the design may be needed

7 OTHER EFFECTS OF TIME FOR PILE FOUNDATIONS CHANGE OF LOAD DISTRIBUTION AMONG PILES Cable-stayed bridge over Garigliano River (Mandolini et al., 2005) 105 VW load cells on piles 24 VW load cells at raft-soil contact Optical survey for settlement

8 0,00 number of piles, n ,25 pr [-] 0,50 0,75 1,00 Mandolini et al. (1997) measured w 50 mm α pr 0,80 w = 48 mm α pr = 0,85 calculated NAPRA (Russo, 1996) plate on springs approach (raft by FE, elastic raft-soil interaction, piles by NL springs) wpr [mm] piles Mandolini et al. (1997) number of piles, n

9 0,00 number of piles, n ,25 pr [-] 0,50 0,75 1,00 Mandolini et al. (1997) measured w 50 mm α pr 0,80 calculated w = 48 / 56 mm α pr = 0,85 / 0,81 NAPRA (Russo, 1996) plate on springs approach (raft by FE, elastic raft-soil interaction, piles by NL springs) wpr [mm] piles 144 piles Mandolini et al. (1997) number of piles, n

10 pr [-] 0,00 0,25 0,50 0,75 number of piles, n Mandolini et al. (1997) PDR 144 piles, L = 48 m nl 7000 m 55 piles, L = 48 m nl 2600 m 1,00 55 piles 144 piles (60% SAVINGS!!!) 0,00 number of piles, n wpr / wr [-] 0,25 0,50 0,75 1,00 Mandolini et al. (1997) PDR

11 OPTIMUM DESIGN (curve 2 case 1) + Settlement, Stress s adm = s min Does a solution exist in order to satisfy a given criteria? YES Well defined Cost +

12 OPTIMUM DESIGN (curve 2 case 2) + Settlement, Stress s adm Does a solution exist in order to satisfy a given criteria? YES (on the left) Cost +

13 OPTIMUM DESIGN (curve 2 case 3) + Settlement, Stress s min s adm Does a solution exist in order to satisfy a given criteria? NO Irrespective of the costs Cost + a) change of the solution b) renouncing to satisfy criteria

14 Differential settlement reducing piles Optimizing criteria n = 9 n = 25 n = 49 n = 81 n = 121 VIGGIANI, 2001 w/wr (%) L/B = 0.4, K rs = L/B = 0.4, K rs = 0.10 n = 169 n = 225 w/wr (%) w/wr (%) L/B = 0.7, K rs = L/B = 1.0, K rs = A g /A n = 9 n = n = 49 n = n = n = 169 n = L/B = 0.7, K rs = n = 9 80 n = 25 n = n = 81 n = n = 169 n = L/B = 1.0, K rs = A g /A

15 Differential settlement reducing piles Optimizing criteria VIGGIANI, 2001 w d/d r w r K rs = 0, s/d = 3; L/B = 0,4 s/d = 4,5; L/B = 0,4 s/d = 6; L/B = 0,4 s/d = 7,5; L/B = 0,4 s/d = 9; L/B = 0,4 s/d = 12; L/B = 0,4 s/d = 15; L/B = 0,4 s/d = 3; L/B = 0,7 s/d = 4,5; L/B = 0,7 s/d = 6,0; L/B = 0,7 s/d = 7,5; L/B = 0,7 s/d = 9; L/B = 0,7 s/d = 12; L/B = 0,7 s/d = 15; L/B = 0,7 s/d = 3; L/B = 1 s/d = 4,5; L/B = 1 s/d = 6; L/B = 1 s/d = 7,5; L/B = 1 s/d = 9; L/B = 1 s/d = 12; L/B = 1 s/d = 15; L/B = 1 w d/d r w r K rs = 0, s/d = 3; L/B = 0,4 s/d = 4,5; L/B = 0,4 s/d = 6; L/B = 0,4 s/d = 7,5; L/B = 0,4 s/d = 9; L/B = 0,4 s/d = 12; L/B = 0,4 s/d = 15; L/B = 0,4 s/d = 3; L/B = 0,7 s/d = 4,5; L/B = 0,7 s/d = 6; L/B = 0,7 s/d = 7,5; L/B = 0,7 s/d = 9; L/B = 0,7 s/d = 12; L/B = 0,7 s/d = 15; L/B = 0,7 s/d = 3; L/B = 1 s/d = 4,5; L/B = 1 s/d = 6; L/B = 1 s/d = 7,5; L/B = 1 s/d = 9; L/B = 1 s/d = 12; L/B = 1 s/d = 15; L/B = 1 nl [m]

16 Differential settlement reducing piles Optimizing criteria VIGGIANI, More effective for increasing L/B

17 Differential settlement reducing piles Optimizing criteria VIGGIANI, More effective for increasing L/B - A minimum value for A g /A exists

18 Differential settlement reducing piles Optimizing criteria VIGGIANI, More effective for increasing L/B - A minimum value for A g /A exists - Beyond such minimum, the addition of piles can be detrimental

19 Differential settlement reducing piles Optimizing criteria VIGGIANI, 2001 Target: w/w R = 0,15 L/B = 0,4 not possible

20 An example of large structure GOOSSENS & VAN IMPE, grain silos in Ghent (Belgium) Raft: 34x84 m 2 ; thickness 1,2 m 697 driven piles: L = 13,4 m; d = 0,52 m; d b = 0,80 m B/L 2,5 MANDOLINI & VIGGIANI, 1997

21 Differential settlement reducing piles Optimizing criteria VIGGIANI, 2001 Target: w/w R = 0,15 L/B = 0,4 not possible L/B = 0,7 81 piles L = 31,5 m A g /A = 0,28; n L = 2552 m L/B = 1,0 30 piles L = 45 m A g /A = 0,10; n L = 1350 m 50% SAVINGS!!!

22 Application to full scale tall building (Mandolini & Viggiani, 1992) Centro Direzionale di Napoli Holiday Inn + Torre Uffici 2 towers H = 86,5 m m 2 independent rafts: 40mx32,7m Y m Y m m Tower U benchmark for optical survey Tower A

23 Application to full scale tall building (Mandolini & Viggiani, 1992) q = Q/(BxL) = 0,16 MPa q lim = 0,5 x F γ x N γ x γ x B 1,7 MPa m FS > 10 Y m Y m m Tower U benchmark for optical survey Tower A

24 Application to full scale tall building (Mandolini & Viggiani, 1992) 637 piles CFA d = 0,6 m; L = 20 m Q lim,s = 2,2 MN FS P = 2,5 (D.M , α PR = 1) Q S = 0,9 MN m Y m Y m m Tower U benchmark for optical survey Tower A

25 Application to full scale tall building (Mandolini & Viggiani, 1992) 637 piles CFA d = 0,6 m; L = 20 m distance across the slab [m] m 10 computed, piled raf t settlement [mm] computed, unpiled raf t alignment Y2 alignment Y3 Y m Y m m Tower U benchmark for optical survey Tower A

26 DSDB (de Sanctis et al., 2002) 318 piles CFA d = 0,6 m; L = 20 m m m Ag Ag/A = 0.30, s/d 3 distributed load concentrated loads m 1.00 m 1.60 m 2.40 m Using 318 piles well located : w + 10% w - 25% m m m Tower U Tower A benchmark for optical survey Y3 Y2

27 DSDB (de Sanctis et al., 2002) 318 piles CFA d = 0,6 m; L = 20 m m m Ag Ag/A = 0.30, s/d 3 distributed load concentrated loads m 1.00 m 1.60 m 2.40 m nl m nl 6300 m 50% SAVINGS!!! m m m Y3 Y2 Tower U benchmark for optical survey Tower A

28 Steel tanks for the storage of sodium hydroxide - Napoli Length (m) B = 8,01 m H = 12,08 m C = 608 mc 4 B = 8,01 m H = 12,08 m C = 608 mc B = 8,01 m H = 12,08 m C = 608 mc 5 B = 8,01 m H = 12,08 m C = 608 mc B=9,90 m B=9,90 m H = 10,23 m H = 10,25 m C = 800 mc C = 800 mc 6 7 S3 CPT1 D=10,60 m B=10,00 m H = 15,00 m H = 15,00 m C = 1320 mc C = 1200 mc S B = 7,95 m H = 10,06 m C = 495 mc 8 B=10,00 m H = 15,00 m C = 1200 mc 14 B = 6,97 m H = 10,05 m C = 380 mc 9 B = 6,97 m H = 10,03 m C = 380 mc 10 B=12,00 m H = 15,00 m C = 1700 mc S1 12 B = 8,00 m H = 11,93 m C = 588 mc 10A D = m H = 15 m V = m 3 γ sodium = 15 kn/m CPT2 P =18-25,5 MN Made ground Bore holes, SPT CPT N SPT1 SPT m SPT3 SPT 0 q C [MPa] 30 Raft (α pr = 0) FS R > 8 Slightly silty sand 10 Static load w R = mm Silty sand m CPT2 CPT1 Cyclic load w R = mm 30 m z [ m ]

29 Steel tanks for the storage of sodium hydroxide - Napoli Conventional CB design 128 CFA piles d = 0,6 m, L = 11,3 m α pr = 1 FS p = 2,5 w = mm Lenght (m) Innovative SB design 52 CFA piles d = 0,6 m, L = 11,3 m Lenght (m) % SAVINGS α pr = 0,6 FS p = 1,5 w max = 35 mm Dw max = 20 mm

30 Katzenbach et al., 2000: Tall buildings, Frankfurt, Germany Piled rafts designed with the aim to: (a) Reduce settlements (avg., diff.) as well as tilting (b) Reduce stresses in the raft (c) Minimize interaction with existing buildings

31 Katzenbach et al., 2000: Tall buildings, Frankfurt, Germany Piled rafts designed with the aim to: (a) Reduce settlements (avg., diff.) as well as tilting (b) Reduce stresses in the raft (c) Minimize interaction with existing buildings Building D F [m] Q [MN] w [cm] α pr [-] Messe-Thoraus ,0 0,80 Messeturm ,4 0,55 DG-Bank -12/ ,0 0,50 Japan Centre -15, ,0 0,40 Forum -13,5 990/920 8,0 0,35/0,40 Main Tower ,5 0,85 Eurotheum ,2 0,30 1,0 X=KPR/KPG [-] 1,25 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 αpr [-] KPR [MN/m] 0,8 pr [-] 0,6 0,4 0,2 0,0 ±20% R = n s L R [-]

32 The variety of possible situation is such that any generalisation is difficult The availability of simple and reliable methods of analysis makes possible and relatively easy the search for an optimum solution in each particular case Some indications can be given

33 In general, the effectiveness of a pile is reduced by the proximity to other piles in terms of both stiffness (R G < 1) and failure load Minimise such a negative interaction using few widely spaced piles A wider spacing allows the raft to transmit a larger portion of the external load directly to the soil both under working conditions and at failure

34 Increasing the number of piles is generally beneficial but does not always produce an optimum solution. There is an upper limit to the useful number of piles beyond which further increase is useless or even detrimental To control the average settlement, an optimum performance is achieved by the use of piles with L > B spread below the whole raft area (A g /A > 80%). This is possible for small and medium rafts, but not for large ones. In the latter case, the average settlement is but slightly reduced by the addition of piles

35 To control the differential settlement w, an optimum performance is achieved by suitably locating a relatively small number of piles, rather than using a larger number of piles uniformly spread or increasing the raft thickness. The most suited location depends on the distribution of the external loads. In the case of uniform load, the piles are best concentrated in the central zone (20% < A g /A < 45%). Again, the longer the piles the most effective they are in reducing w Thickness of the raft affects bending moments and w, but has little effect on load sharing between raft and piles and on average settlement

36 DM (pubblicato su G.U. del ) Norme Tecniche per le Costruzioni Resistenza di progetto, R d Azioni (o effetto delle azioni) di progetto, E d R d = R k /γ R M1

37 DM (pubblicato su G.U. del ) Norme Tecniche per le Costruzioni CAP. 6 PROGETTAZIONE GEOTECNICA 6.4 Opere di fondazione Fondazioni su pali

38 DM (pubblicato su G.U. del ) Norme Tecniche per le Costruzioni CAP. 6 PROGETTAZIONE GEOTECNICA 6.4 Opere di fondazione Fondazioni su pali

39 DM (pubblicato su G.U. del ) Norme Tecniche per le Costruzioni CAP. 6 PROGETTAZIONE GEOTECNICA 6.4 Opere di fondazione Fondazioni su pali Verifiche agli stati limite ultimi da prove di carico di progetto da formulazioni teoriche R d R d γ R γ R

40 DM (pubblicato su G.U. del ) Norme Tecniche per le Costruzioni CAP. 6 PROGETTAZIONE GEOTECNICA 6.4 Opere di fondazione Fondazioni su pali

41 DM (pubblicato su G.U. del ) Norme Tecniche per le Costruzioni CAP. 6 PROGETTAZIONE GEOTECNICA 6.4 Opere di fondazione Fondazioni su pali piles as settlement reducers (BURLAND et al., 1977)

42 DM (pubblicato su G.U. del ) Norme Tecniche per le Costruzioni CAP. 6 PROGETTAZIONE GEOTECNICA 6.4 Opere di fondazione Fondazioni su pali piles enhancing raft

43 DM (pubblicato su G.U. del ) Norme Tecniche per le Costruzioni CAP. 6 PROGETTAZIONE GEOTECNICA 6.4 Opere di fondazione Fondazioni su pali piles enhancing raft

44 DM (pubblicato su G.U. del ) Norme Tecniche per le Costruzioni CAP. 6 PROGETTAZIONE GEOTECNICA 6.4 Opere di fondazione Fondazioni su pali piles enhancing raft R d = (R platea,k + R pali, k )/γ R

45 Ghent, June BAP IV Theme Lecture Design of piled raft foundations: practice and developments CONCLUSIONS Viggiani (2001): It appears necessary to develop codes and regulations capable of guiding the designer in the application of innovative design criteria Poulos (2002): There is a need to remove perceived constraints of some old-fashioned approaches (codes) Randolph (2003): National design codes must adapt to permit highly loaded piles beneath (primarily) raft foundations

46 Ghent, June BAP IV Theme Lecture Design of piled raft foundations: practice and developments In order to not leave these design options in a drawer, codes and regulations should change IT S TIME TO CHANGE!!

47 : Bearing capacity of piled rafts Randolph (2003): National design codes must adapt to permit highly loaded piles beneath (primarily) raft foundations National design codes must adapt (also) to permit highly loaded rafts above (primarily) pile foundations

48 DM (pubblicato su G.U. del ) Norme Tecniche per le Costruzioni CAP. 7 NORME PER LE OPERE INTERAGENTI CON I TERRENI E CON LE ROCCE,. 7.3 Opere interagenti con i terreni e con le rocce Fondazioni delle strutture in elevato Fondazioni su pali Verifiche in condizioni di esercizio (SLE) Nel progetto di una fondazione su pali è ammesso l impiego di pali con funzione di riduzione e regolazione dei cedimenti. In questo caso, il carico limite della fondazione deve essere valutato con riferimento alla sola piastra

49 Fondazioni su pali: dalla ricerca alle applicazioni DFI 2006 Risultati di una approfondita indagine Introduzione 60% 50% 46% 54% 60% 50% 48% Aspetti progettuali 40% 30% 40% 30% 36% Condizioni di esercizio 20% 10% 20% 10% 10% 6% 0% 0% Condizioni di rottura superficiali profonde superficiali superficiali su terreni trattati su pali (CBD) su pali (SBD) Contenuti minimi di un approccio razionale LA SFIDA CONTINUA! Conclusioni CNRIG 2006

50 SHIELD EFFECT α R αp [-] 1,0 0,8 α R αp = 1-3x(Ag/A)/(s/d) 0,6 0,4 Q PR,lim = Q G + α R Q P 0,2 0,0 DE SANCTIS & MANDOLINI, ,00 0,10 0,20 0,30 0,40 (Ag/A)/(s/d) [-]

51 BRAIN EFFECT α R αp [-] 1,0 0,8 α R αp = 1-3x(Ag/A)/(s/d) 0,6 0,4 Q PR,lim = Q G + α R Q P 0,2 0,0 DE SANCTIS & MANDOLINI, ,00 0,10 0,20 0,30 0,40 (Ag/A)/(s/d) [-]

52 MORE BRAIN, LESS PILES