COSTRUZIONE DI PONTE SULLA DORA BALTEA A BORGO REVEL.

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1 AREA VIABILITA' SERVIZIO PROGETTAZIONE ED ESECUZIONE INTERVENTI VIABILITA' II EX S.S. N 31 BIS DEL MONFERRATO. COSTRUZIONE DI PONTE SULLA DORA BALTEA A BORGO REVEL. PROGETTO DEFINITIVO Revisione n 01 Descrizione Emissione Data Ottobre 2013 NUOVO PONTE: Scala:. Data: Ottobre 2013 Tavola: DF.STR.RCb. Redatto: EL Verificato: DM Il Dirigente e Responsabile del Procedimento: I Progettisti opere stradali: Il Progettista strutture: ing. Sabrina BERGESE ing. Marco BENSO Ing. Gianluca ODETTO (Coordinatore per la redazione del progetto ai sensi dell'art. 8 comma 1 D.P.R. 554/99).ing. Elena LANZAROTTI

2 FONDAZIONI SPECIALI RELAZIONE DI CALCOLO 1. Premessa La relazione illustra i calcoli di dimensionamento delle opere di fondazione profonda relative alla costruzione del ponte sulla Dora Baltea a Borgo Revel, nel comune di Verolengo. Tale incarico si integra in un più ampio quadro di interventi riguardanti l adeguamento del ponte ex S.S. 31 bis sul fiume Dora Baltea di collegamento degli abitati di Borgo Revel (To) e Crescentino (Vc), che consistono nel consolidamento delle opere di fondazione e nel ripristino delle opere di controllo del fondo alveo in massi esistenti a valle del ponte. Tale studio è finalizzato alla verifica della compatibilità tra le caratteristiche geometriche e di carico delle opere di fondazione profonda (diaframmi in corrispondenza delle 2 pile in alveo e delle 2 spalle) e quelle di resistenza dei terreni di fondazione. Le opere in progetto sono illustrate sulle tavole grafiche allegate. La relazione riporta nell ordine: alcuni cenni circa l inquadramento geologico e geotecnico dell area d intervento la verifica dei cedimenti dei terreni di fondazione. Allegati: - tavola con profilo stratigrafico - Diagrammi e grafici 1

3 1. Inquadramento geologico e geotecnico Dopo l evento alluvionale dell ottobre 2000, l ANAS ha promosso un programma di indagini geognostiche e prove geotecniche finalizzato alla verifica delle condizioni di stabilità delle strutture in alveo dei ponti sui corsi d acqua principali che, durante lo stato di piena, hanno registrato importanti processi di dissesto. Nel presente documento sono illustrati i risultati dello studio geologico tecnico condotto dal dott. Geol. Andrea Scaglia in corrispondenza del ponte della S.S. n 31 bis sul fiume Dora Baltea, nell ambito del territorio comunale di Crescentino, articolatosi mediante rilievi di terreno ed acquisizione di materiale bibliografico. Inoltre, nelle pagine seguenti vengono riassunti i dati stratigrafici ottenuti mediante una campagna di sondaggi meccanici a carotaggio continuo ed a strumentazione controllata nonché di rilievi geofisici realizzati dall impresa specializzata Geotecno s.r.l.. L indagine geognostica di profondità si è articolata attraverso: N 1 sondaggio a carotaggio continuo e n 7 perforazioni a distruzione di nucleo con strumentazione controllata. Prospezioni geofisiche in foro di tipo cross-hole lungo 2 stendimenti. Per la consultazione di dettaglio dei risultati conseguiti, di seguito descritti sommariamente, si rimanda alla relazione redatta nell ambito di tale studio, allegata alla presente. La stratigrafia individuata è la seguente: Strato Quote assolute contatti 1 P.C. 148 m s.l.m m s.l.m m s.l.m. profondità indefinita Descrizione Ghiaie ciottolose con supporto di matrice sabbiosa Sabbie medio grossolane debolmente limose Ghiaie ciottolose con supporto di matrice sabbiosa Peso specifico [kn/m 3 ] Angolo di attrito [ ] Coesione [kpa] La falda acquifera è presente alla quota del pelo libero del Fiume Dora Baltea, quindi i terreni interessati dagli scavi sono da considerarsi completamente saturi d acqua. 2

4 2. Verifica dei diaframmi di fondazione delle pile in alveo 2.1 Modello numerico di interazione con il terreno Scopo dello studio è l ottenimento di una stima dei cedimenti del terreno di fondazione indotti dai carichi gravanti sul setto strutturale profondo di fondazione delle pile centrale del ponte : l analisi numerica, condotta con le modalità descritte in seguito, è stata effettuata grazie all utilizzo del software UDEC nella versione automatica ICG 1.7, edito dalla Itasca Consulting Group, Inc. Il metodo degli elementi distinti (Cundall,1971) è un mezzo di calcolo impiegabile per l analisi del comportamento meccanico di un sistema composto da blocchi discreti; il metodo si distingue principalmente da altri metodi messi a punto per la modellazione numerica di sistemi discontinui, come il metodo di Goodman e Shi, per tre sue caratteristiche peculiari (Hart,Cundall e Lemons,1988) : - i blocchi possono essere soggetti a grandi rotazioni e a grandi spostamenti rispetto a quelli degli altri blocchi; - le forze di interazione tra i blocchi generano un cambiamento della relativa configurazione geometrica dei blocchi stessi; - lo schema di soluzione è esplicito nel tempo. Gli aspetti più importanti della formulazione del metodo degli elementi distinti, per quanto riguarda il problema di stabilità di masse rocciose, sono i seguenti : - è possibile modellare sia masse stabili, sia masse instabili; quando un blocco è soggetto ad una forza non equilibrata, accelera e si muove verso una nuova posizione; quando si raggiunge l equilibrio delle forze, il sistema può considerarsi in condizioni di riposo o essere soggetto ad un movimento a velocità costante - le forze si generano tra i blocchi che sono a contatto; è possibile una sovrapposizione tra due blocchi, ma di piccola entità, se riferita alle dimensioni dei blocchi; - la sequenza di calcolo tra uno stato del sistema ed il successivo, avviene per piccoli incrementi di tempo; la soluzione finale è data da una situazione d equilibrio o da una situazione di moto continuo. 3

5 Il metodo, nato per lo studio dei problemi piani, è stato recentemente (Cundall,1988) esteso allo studio di problemi tridimensionali, in modo da poter costituire un valido mezzo per una più realistica rappresentazione del comportamento di masse rocciose discontinue. La formulazione teorica del metodo è stata codificata in un programma di calcolo (Cundall e Hart,1985) che, oltre a tenere conto della deformabilità dei blocchi e della possibilità di fratture nella matrice rocciosa, considera il sistema come costituito da blocchi poliedrici. Questi blocchi sono a loro volta, per semplicità di calcolo, suddivisi in elementi tetraedrici a deformazione costante; ogni tetraedro viene, a sua volta, discretizzato con un reticolo alle differenze finite. Figura n 1 Il modello che rappresenta il sistema discontinuo di blocchi può essere generato (Lemons,1987) tenendo conto delle caratteristiche geometriche dei sistemi di discontinuità della massa rocciosa. Tali caratteristiche sono la giacitura delle discontinuità, la spaziatura, il numero di discontinuità di ogni sistema e la persistenza, o continuità, di tali discontinuità. Si è visto che, sia attraverso l impiego di tecniche geostatiche, sia attraverso modelli di tipo statistico, è possibile generare, sulla base delle caratteristiche specificate nel periodo precedente, aree e volumi di blocchi (casi 2-D e 3-D) delimitati da più sistemi di discontinuità. 4

6 2.2 Stratigrafia del terreno di fondazione, geometria del diaframma di fondazione e carichi I dati stratigrafici e geotecnici di dettaglio utilizzati nel presente studio sono quelli estrapolati dai risultati della campagne di indagini geognostiche di cui al paragrafo precedente. Lo studio è stato condotto mediante la realizzazione di modello matematico del fenomeno, che utilizza la teoria degli elementi distinti mediante il già citato software UDEC, nella versione automatica ICG 1.7. La fondazione delle pile centrali del ponte è costituita da un setto strutturale profondo delle dimensioni di 2,2 x 7,1 x 19,5 m; la fondazione delle due spalle è costituita da un setto strutturale profondo delle dimensioni di 1 x (9,45+6,5+6,5) x 16,5 m; la schematizzazione geometrica del sistema terreni-fondazione è costituita dalla sezione longitudinale riportata in allegato. Analogamente a quanto avviene durante la fase costruttiva, i carichi sono stati applicati gradualmente, secondo i 3 step di seguito elencati: Pile 1 step di carico (peso proprio pila): N = kn ( kg/m); H = 0 kn. 2 step di carico (carichi permanenti): N = 7.033,58 kn ( kg/m); H = 0 kn. 3 step di carico (carichi accidentali): N = 4.279,89 kn ( kg/m); H = 0 kn. Spalle (spalla fissa) 1 step di carico (peso proprio spalla): N = kn ( kg/m); H = 0 kn. 2 step di carico (carichi permanenti): N = kn ( kg/m); H = 290 kn (610 kg/m). 3 step di carico (carichi accidentali): N = kn ( kg/m); H = kn (5300 kg/m). Al termine di ciascuno step di carico, non si è passati a quello successivo prima del definitivo assestamento del terreno, quindi con forze non bilanciate dell ordine di 10-6 MPa e stabili nel tempo. 2.3 Caratteristiche di deformabilità e resistenza dei materiali e delle discontinuità Le caratteristiche geotecniche dei terreni di fondazione sono state ricavate dallo studio geotecnico di cui sopra, mentre le proprietà del cemento armato costituente i diaframmi di fondazione sono state desunte dalla corrente bibliografia. 5

7 I parametri relativi ai contatti tra i diversi materiali coinvolti nell analisi sono stati desunti da considerazioni di natura bibliografica; tali valori sono stati riportati nelle seguenti tabelle al fine di garantire un agevole consultazione. Materiale Densità (Kg/m3) E (GPa) ν C (Mpa) Φ T (MPa) Terreno A Terreno B Terreno C C.A E importante fare notare che: - al posto dei parametri correnti E e ν, il metodo di calcolo utilizzato richiede il modulo di deformazione volumica K definito come : K = 3 E ( 1 2 ν ) ed il modulo tangenziale G, definito come : E G = 2 1+ν ( ) Contatto C (MPa) Φ JKS (N/m) JKN (N/m) T (MPa) C.A. Terreno E03 1E C.A. Terreno E03 1E C.A. Terreno E03 1E Terreno 1 Terreno E05 1E Terreno 2 Terreno E05 1E Codice di calcolo ad elementi distinti (UDEC vers. ICG 1.7) Il modello matematico del fenomeno di assestamento dei terreni di fondazione è stato realizzato utilizzando il metodo agli elementi distinti informatizzato tramite il software UDEC, nella versione automatica ICG 1.7, edito dalla Itasca Consoulting Group, Inc; il programma scritto in Fortran 77, è eseguibile su Personal Computer I.B.M. o compatibili, con sistema operativo Dos 3.x. 6

8 Nel caso in esame, la procedura di analisi è stata suddivisa in 3 fasi: - assestamento iniziale del terreno, utile alla stabilizzazione del modello ( cicli); - assestamento del terreno dovuto al peso proprio del setto profondo ( cicli); - studio dei cedimenti dei terreni di fondazione a seguito dell applicazione dei carichi previsti, secondo i 3 step indicati in precedenza (successivi cicli). La 2 fase è, a sua volta, suddivisa in 3 sotto-fasi, ciascuna relativa ad uno step di carico: 1 step di carico ( cicli) 2 step di carico ( cicli) 3 step di carico ( cicli) La sequenza generale dei comandi per l esecuzione del programma, per entrambe le fasi citate, è suddivisibile nel seguente modo: - definizione della geometria del problema; - definizione della deformabilità dei blocchi; - definizione dei materiali e delle loro proprietà; - assegnazione ai blocchi dei materiali costitutivi; - applicazione di condizioni particolari durante la risoluzione; - controllo dei dati del problema attraverso l esame delle restituzioni grafiche del modello; - risoluzione automatica; - analisi delle risposte. Durante lo svolgimento dell analisi, si è predisposta, con un apposito comando, la registrazione dell andamento nel tempo di alcune variabili selezionate, atte a consentire il controllo del processo di consolidazione che ha luogo durante i cicli di calcolo; nel caso in esame si sono registrati : - l andamento nel tempo delle forze non bilanciate - l andamento dello spostamento in x (solo per la spalla) e y di alcuni punti ritenuti significativi e rappresentativi dell intero sistema diaframma - terreni, la cui indicazione è riportata in allegato. 7

9 Il sistema delle unità di misura adottato convenzionalmente è il seguente : GRANDEZZA UNITA DI MISURA Lunghezza M Densità MKg/m 3 Forza MN Tensione MPa Gravità M/sec 2 Rigidezza MPa/m 2.5 Descrizione dei risultati dell analisi numerica Pila Al termine del 1 step di carico (costruzione della pila), i 4 punti monitorati (4 vertici del diaframma) risultano essersi spostati verso il basso in modo pressoché concorde di circa 1-2 mm in termini di cedimento totale. Analogamente avviene al termine del 2 step di carico (costruzione dell impalcato ed applicazione dei carichi permanenti), allorché i 4 punti oggetto d analisi risultano soggetti ad un cedimento di circa 8-9 cm, per un cedimento totale appena superiore a tale valore. Con il 3 step di carico (applicazione dei carichi accidentali) i 4 punti analizzati subiscono un ulteriore abbassamento di circa 4 mm, portando il cedimento totale a circa 8,5-9,6 cm. Si evidenzia che i cedimenti indicati in precedenza avverranno nell arco di pochi giorni dopo l applicazione del carico (cedimento istantaneo), in quanto la natura granulare ed incoerente dei terreni esclude il verificarsi di cedimenti di consolidazione. Nella seguente tabella sono indicati gli spostamenti in y dei 4 punti monitorati, relativi a ciascuno step di carico : 1 step 2 step 3 step Totali Punto 1 Ced y = 1 mm Ced y = 8 cm Ced y = 4 mm Ced y = 8,5 cm Punto 2 Ced y = 1 mm Ced y = 8 cm Ced y = 4 mm Ced y = 8,5 cm Punto 3 Ced y=2 mm Ced y = 9 cm Ced y = 4 mm Ced y = 9,6 cm Punto 4 Ced y=2 mm Ced y = 9 cm Ced y = 4 mm Ced y = 9,6 cm 8

10 Per quanto riguarda lo stato tensionale indotto dagli step di carico sul terreno di fondazione, si nota una pressione appena al di sotto del setto profondo compresa tra 0,15 e 0,2 MPa (1,5-2 kg/cm 2, del tutto compatibile con la capacità portante del terreno alla profondità di 19,5 m. Si evidenzia come tale valore non sia esclusivamente dovuto al carico indotto dalla fondazione profonda, ma alla combinazione di quest ultimo con lo stato tensionale naturale del terreno, anche in assenza delle opere in progetto. Inoltre, si nota come le tensioni trasmesse al terreno non si discostino molto (circa 0,05 MPa 0,5 kg/cm 3 ) dalle tensioni naturali, dovute al peso proprio del terreno stesso in assenza delle opere di fondazione in esame. Tale dato rende ipotizzabile che buona parte del carico trasmesso dalla pila al setto di fondazione sia dissipato dall attrito laterale all interfaccia tra il setto stesso ed il terreno e solo una minima parte venga trasmesso per carico di punta in fondazione. Infine, si evidenzia come le tensioni generate si dissipino molto velocemente con la profondità, tanto che alla profondità di 45 m dal p.c. (circa 24 m al di sotto del piano di fondazione del setto profondo) lo stato tensionale del terreno non subisce alcuna interferenza dovuta alla presenza delle opere in progetto e, dunque, risulta coincidente con quello determinato dal solo peso proprio del terreno stesso. Spalla (fissa) Al termine del 1 step di carico (costruzione della spalla), i 2 punti monitorati (parte centrale della sezione in testa e al piede) risultano essersi spostati verso il basso in modo pressoché concorde di circa 2 mm in termini di cedimento totale. Lo spostamento orizzontale risulta trascurabile, in quanto non sono applicati carichi in tale direzione. Analogamente avviene al termine del 2 step di carico (costruzione dell impalcato ed applicazione dei carichi permanenti), allorché i 2 punti oggetto d analisi risultano soggetti ad un cedimento di circa 1 mm, per un cedimento totale pari a 3 mm. Lo spostamento orizzontale, di entità quasi del tutto trascurabile (2,3-7/100 mm), risulta essere nella direzione dell applicazione del carico sia in testa che al piede del diaframma. Con il 3 step di carico (applicazione dei carichi accidentali) i 2 punti analizzati subiscono un ulteriore abbassamento di circa 1 mm, portando il cedimento totale a circa 4 mm. Lo spostamento orizzontale, anche in questo caso di entità quasi del tutto trascurabile (3-4,9/100 mm), risulta essere nella direzione opposta a quella dell applicazione del carico sia in testa che al piede del diaframma. 9

11 Nella seguente tabella sono indicati gli spostamenti in y dei 4 punti monitorati, relativi a ciascuno step di carico : 1 step 2 step 3 step Totali Punti 1-2 Ced x = trascurabile Ced y = 2 mm Ced x = 7/100 mm Ced y = 1 mm Ced x = 3/100 mm Ced y = 1 mm Ced x = 1/10 mm Ced y = 4 mm Punto 3-4 Ced x = trascurabile Ced y=2 mm Ced x = 2,3/100 mm Ced y = 1 mm Ced x = 4,9/100 mm Ced y = 1 mm Ced x = <1/10 mm Ced y = 4 mm Per quanto riguarda lo stato tensionale indotto dagli step di carico sul terreno di fondazione, si nota una pressione appena al di sotto del setto profondo compresa tra 0,15 e 0,2 MPa (1,5-2 kg/cm 2, del tutto compatibile con la capacità portante del terreno alla profondità di 16,5 m. Si evidenzia che valgono le stesse considerazioni fatte per la fondazione delle pile in alveo, pertanto risulta ipotizzabile che buona parte del carico trasmesso dalla spalla al setto di fondazione sia dissipato dall attrito laterale all interfaccia tra il setto stesso ed il terreno e solo una minima parte venga trasmesso per carico di punta in fondazione. Infine, si evidenzia come le tensioni generate si dissipino molto velocemente con la profondità, tanto che alla profondità di m dal p.c. (circa 22 m al di sotto del piano di fondazione del setto profondo) lo stato tensionale del terreno non subisce alcuna interferenza dovuta alla presenza delle opere in progetto e, dunque, risulta coincidente con quello determinato dal solo peso proprio del terreno stesso. Sono allegati i seguenti schemi e diagrammi : Pila - schema del modello con suddivisione in elementi distinti; - spostamento in Y dei punti 1, 2, 3 e 4 per i 3 step di carico considerati; - stato tensionale al termine del 3 step di carico. Spalla (fissa) - schema del modello con suddivisione in elementi distinti; - spostamento in X e Y dei punti 1-2 e 3-4 per i 3 step di carico considerati; - stato tensionale al termine del 3 step di carico. 10

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13 PILA

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