FONDAZIONI SUPERFICIALI E PROFONDE PER IMPIANTI FOTOVOLTAICI

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1 FONDAZIONI SUPERFICIALI E PROFONDE PER IMPIANTI FOTOVOLTAICI Pagina 1 di 23

2 introduzione La scelta della tipologia di fondazione da impiegare nell ambito della realizzazione di un impianto fotovoltaico è dettata da diversi fattori: - Dimensione ed importanza dell impianto; - Caratteristiche geotecniche del sito; - Posizionamento ed accessibilità dello stesso; - Tempistiche di realizzazione dell impianto. In via del tutto generale, un impianto fotovoltaico necessiterà di una fondazione di dimensioni ridotte, facilmente realizzabile, in grado magari di poter essere facilmente rimossa o addirittura riutilizzata una volta terminato il ciclo di vita utile del sito. Ciò però non significa voler mettere in secondo piano il progetto della fondazione che anzi, dovendo far fronte a questi requisiti oltre a quelli imposti dalle moderne normative tecniche nell ambito delle costruzioni civili, primo tra tutti la verifica nei riguardi dell azione sismica, risulta particolarmente delicato. Non è facile proporre una fondazione dalle dimensioni contenute, in grado di sopportare i carichi trasmessi dalla sovrastruttura del fotovoltaico, caratterizzati da momenti flettenti significativi in concomitanza con sforzi normali piccoli e, a volte, di trazione, garantendo contemporaneamente l adeguato livello di sicurezza nei riguardi delle verifiche statiche e sismiche senza prospettare eccessivi costi di realizzazione. È per questo che la società TELEIOS, studiando a fondo queste tematiche nell ambito di una notevole esperienza nei problemi di geotecnica, è in grado di proporre soluzioni all avanguardia adatte ad ogni possibile configurazione. TELEIOS è in grado di sviluppare il progetto fin dalla esecuzione e analisi delle prove geotecniche per la caratterizzazione litologica del terreno, così da snellire e velocizzare l iter progettuale. Pagina 2 di 23

3 È impossibile prescindere da una accurata campagna di prove geotecniche: data la grande conoscenza di TELEIOS in questo settore siamo in grado di consigliare il Cliente per quanto riguarda la scelta delle analisi geotecniche in situ e/o in laboratorio che meglio si prestano alla specifica situazione, ottimizzando il rapporto costo benefici, aspetto difficilmente realizzabile affidando ad una società esterna queste scelte. Per quanto riguarda le fondazioni si parte dal progetto di fondazioni superficiali, costituite da plinti di ridotte dimensioni, per passare poi a soluzioni che prevedono l impiego di fondazioni profonde (pali trivellati o micropali), con o senza plinto superiore di interfaccia, per arrivare infine alla tipologia più specifica per questi impianti e cioè fondazioni che impiegano pali a vite, o screw piles. Si riportano nei capitoli successivi le caratteristiche principali di ogni tecnologia costruttiva. aspetti generali della progettazione TELEIOS è in grado di realizzare anche il progetto della sovrastruttura dell impianto fotovoltaico seguendo i dettami delle vigenti normative tecniche nell ambito delle costruzioni civili (Norme Tecniche per le Costruzioni, D.M ). È naturalmente possibile anche procedere in cooperazione con il progettista esterno della sovrastruttura nell ottica di un confronto costruttivo che porti al miglior progetto dell impianto. In tal caso il cliente o il progettista dovranno fornire alla società TELEIOS i carichi statici defattorizzati (privi cioè dei coefficienti parziali di sicurezza previsti per i vari approcci progettuali dalle norme) ed i carichi sismici in accordo con le NTC 2008, così da lasciare la più totale libertà nel progetto e calcolo della fondazione e quindi la possibilità della massima ottimizzazione. Pagina 3 di 23

4 Qualora la struttura in elevazione sia calcolata non da un nostro progettista, è conveniente che il progetto della stessa tenga conto degli spostamenti indotti dal sisma nel terreno di fondazione e dei possibili effetti da essi prodotti sulla sovrastruttura, così da poter evitare il collegamento degli elementi di fondazione (come da norme tecniche NTC 2008, ), riducendo di conseguenza complessità e costo dell opera. Tale procedura è sempre adottata da TELEIOS nei suoi calcoli delle strutture in elevazione per far si che vi sia la possibilità, in qualunque zona sismica, di non collegare tra loro le strutture fondali con cordoli. TELEIOS è in grado di progettare e calcolare ex novo le sovrastrutture necessarie alla messa in opera dell impianto fotovoltaico così come di verificare strutture in corso di fornitura. Nell ambito delle analisi geotecniche per le strutture di fondazione TELEIOS si avvale anche dei programmi di calcolo maggiormente affidabili nel mercato mondiale, tra i quali Plaxis 2D V9 VIP per le analisi ad elementi finiti e Repute della società Geocentrix per il calcolo delle fondazioni su pali in campo elastico lineare e non lineare. Pagina 4 di 23

5 Tel Fax Modello fem (finite element method) di una fondazione superficiale creato con Plaxis 2D V9 VIP Calcolo di un palo singolo a testa libera con il software Repute. Pagina 5 di 23

6 Esempi di applicazione dei due software sono disponibili sul nostro sito web, all indirizzo: Anche se le opere di fondazione per fotovoltaico non necessitano il più delle volte di tali strumenti, nel caso di elevata complessità geotecnica, soprattutto in terreni fortemente compressibili o in caso di situazioni particolari, l analisi con programmi di calcolo ad elementi finiti riesce a risolvere problemi che non troverebbero soluzione con analisi manuali o con software di non comprovata affidabilità. Pagina 6 di 23

7 FONDAZIONI SU PLINTI Pagina 7 di 23

8 Qualora i carichi trasmessi dalla struttura in elevazione e le caratteristiche geotecniche del sito lo consentano la fondazione su plinti è sicuramente quella più semplice e dal minore impatto; d altro canto ha la peculiarità di non essere riutilizzabile, non rapida da realizzare e non dismissibile; quindi tale fondazione non è sempre ben vista dal cliente e dai vari Enti in fase di richiesta dei permessi. Qualora i carichi da trasmettere al terreno siano rilevanti le dimensioni del plinto crescono rapidamente, fino ad arrivare a dei limiti che possono renderne sconveniente l impiego. La società TELEIOS è sicuramente all avanguardia per quanto riguarda la determinazione della portanza del terreno sia in condizioni statiche che sismiche: le teorie più moderne, recepite dalle ricerche più evolute sviluppate nelle maggiori Università del mondo, sono impiegate per calcolare questo delicato e fondamentale aspetto. Al riguardo il principale progettista geotecnico e socio della società TELEIOS, l ing. Marco Franceschini, ha pubblicato diversi articoli tra i quali si ricorda Confronto tra i vari metodi di calcolo delle capacità portanti di fondazioni superficiali in terreni sabbiosi in zona sismica, apparso sulla rivista INARCOS n Pagina 8 di 23

9 FONDAZIONI SU PALI TRIVELLATI Pagina 9 di 23

10 Quando i carichi in fondazione sono rilevanti, come nel caso di impianti fotovoltaici a serra, o quando il terreno in sito è caratterizzato da scarse proprietà meccaniche l impiego di fondazioni profonde risulta conveniente. L uso di pali trivellati consente di ridurre notevolmente le dimensioni del plinto superficiale (se non addirittura di eliminarlo), che in tali sfavorevoli condizioni possono diventare sproporzionate, e inoltre permette di interessare strati profondi del terreno dalle migliori caratteristiche di resistenza e deformabilità. Date le dimensioni dei pali trivellati la soluzione che proponiamo prevede l impiego di un solo palo, che si collega alla struttura in elevazione o per mezzo di un plinto di collegamento o in maniera diretta. Pagina 10 di 23

11 Il palo trivellato sviluppa principalmente attrito laterale con il terreno ma anche (seppur a seguito di maggiori deformazioni) una quota di portanza alla punta: in ogni caso il meccanismo resistente è fortemente influenzato dalle tecniche costruttive, da determinarsi caso per caso a seguito di specifiche valutazioni ed opportunità. Importante è anche la corretta valutazione del comportamento del palo trivellato soggetto ad azioni orizzontali applicate in testa, tipicamente trasmesse dalla struttura in elevazione al sistema fondale in presenza di carichi orizzontali, come l azione del vento, agenti sulla stessa. TELEIOS impiega teorie analitiche, come quella sviluppata da Broms, e software specifici di calcolo, come il già citato Repute, per verificare il palo anche in questa condizione di sollecitazione. Al fine di ottimizzare il rapporto tra TELEIOS e parti terze nella redazione del progetto di un impianto fotovoltaico abbiamo sviluppato e perfezionato dei protocolli riguardanti l analisi delle prove geotecniche (in sito e in laboratorio) e il calcolo della struttura in elevazione (sia in campo statico che sismico) così da avere le massime possibilità di sfruttare quanto è in via di esecuzione. Ulteriori approfondimenti a riguardo sono reperibili nell ultimo capitolo, riguardante l impiego di pali a vite. Pagina 11 di 23

12 FONDAZIONI SU MICROPALI Pagina 12 di 23

13 La soluzione con micropali si presta, come quelle con pali trivellati, a sostenere azioni rilevanti su terreni di scarsa resistenza. Il vantaggio è costituito dalla possibilità di poter disporre, a parità di attrezzatura di cantiere, di un numero maggiore di alternative in termini di diametro e lunghezze, con la possibilità di adattare la conformazione della fondazione ai carichi effettivamente agenti in quel punto. A causa del piccolo diametro del micropalo sarà sempre necessario prevedere un dado superiore di collegamento con la sovrastruttura, elemento che, come già accennato, nel caso di impiego di pali trivellati aveva la possibilità di essere omesso. Rispetto ai pali trivellati, inoltre i micropali sono anche meno adatti per sostenere azioni di taglio. I macchinari per la realizzazione dei micropali sono certamente meno ingombranti e ciò semplifica molto le attività di cantiere, specie quando ci si trova ad operare in condizioni sfavorevoli (scarsa accessibilità, lontananza dalle principali vie di comunicazione). Pagina 13 di 23

14 FONDAZIONI CON PALI A VITE (Screw Piles) Pagina 14 di 23

15 Gli impianti fotovoltaici, data la loro estesa superficie e la struttura leggera, sono fortemente soggetti all azione del vento. Le fondazioni dovranno perciò sopportare carichi verticali relativamente bassi a fronte di ingenti momenti ribaltanti, tali da poter generare addirittura sforzi di trazione in fondazione. Aggiungendo a queste considerazioni il fatto che molto spesso tali impianti vengono a realizzarsi in ambiti rurali in tempi relativamente brevi, dato il forte grado di prefabbricazione degli elementi che li costituiscono ed i rapidi tempi di posa in opera, si ritiene che una scelta ottimale per le fondazioni sia quella che prevede l impiego di pali a vite, soprattutto per gli impianti a terra. Fondazioni con pali a vite di un impianto fotovoltaico a terra. Pagina 15 di 23

16 Gli screw piles sono pali prefabbricati in acciaio dotati di una o più eliche, disponibili in varie geometrie e configurazioni, che vengono avvitati nel terreno per mezzo di semplici apparecchiature che possono essere facilmente montate sulle più comuni macchine operatrici. Ciò implica la quasi totale assenza di un cantiere per la realizzazione della fondazione, aspetto fondamentale quando ci si trova ad operare in ambiti rurali difficilmente raggiungibili, ed una estrema rapidità di esecuzione. Le tipologie più comuni e maggiormente reperibili sul mercato presentano una lunghezza compresa tra 1,5 e 3 metri, con diametri compresi tra 77 e 130 millimetri ed eliche il cui diametro può attestarsi tra i 180 ed i 250 millimetri. Tale tipologia di palo è adeguata per resistere sia a sforzi di compressione che di trazione, e perciò consente alla fondazione di sopportare anche momenti ribaltanti. Data inoltre la possibilità di rimuovere e riutilizzare tali elementi, gli screw piles si ritengono convenienti per le fondazioni di impianti leggeri quali quelli a terra, posti in opera in tempi brevi e dotati di una certa vita operativa. Pagina 16 di 23

17 Il meccanismo resistente di tali elementi si compone essenzialmente di tre contributi: - sotto l elica di base si genera un meccanismo di portata alla punta, simile a quello che si genera anche nei normali pali trivellati in conglomerato cementizio armato; - lungo il fusto in acciaio del palo si genera, per semplice attrito acciaio terreno, una componente di portata laterale, direttamente proporzionale alla superficie laterale del fusto a contatto col terreno e dunque al diametro del palo; - quando è presente più di un elica il terreno compreso tra di esse è vincolato a resistere alle azioni insieme al palo, che dunque riesce a sviluppare un cilindro di terreno compreso tra le due eliche in grado di accrescere il diametro del fusto fino ad un valore pari al diametro dell elica. Insieme alla elevata portanza di punta (frutto della elevata superficie dell elica), è proprio quest ultima caratteristica la peculiarità di tale tipologia di palo. Prove di estrazione di screw piles: si noti il cilindro di terreno vincolato dalla doppia elica del palo Meccanismi resistenti del tutto simili si sviluppano anche quando il palo è soggetto a sforzi di trazione. Pagina 17 di 23

18 Meccanismo resistente a compressione e trazione di pali a vite. Le tipologie realizzative dei pali a vite sono molteplici: ci sono pali con una semplice filettatura per favorirne l avanzamento nel terreno ma non in grado di sviluppare i meccanismi resistenti citati, così come pali di sezioni diversa dalla circolare. La società TELEIOS è in grado di progettare pali a vite di qualunque geometria e conformazione (gli screw piles riportati negli schemi in allegato rappresentano solo degli esempi) grazie all esperienza conseguita a seguito di svariate applicazioni pratiche e agli studi teorici sui quali è basato il progetto di tali elementi. Pagina 18 di 23

19 Per sfruttare al massimo le potenzialità degli screw piles si consiglia comunque di impiegare pali a sezione circolare con eliche sufficientemente ampie da sviluppare i meccanismi resistenti noti, con la favorevole opportunità di utilizzare pali muniti di eliche multiple. Pagina 19 di 23

20 TELEIOS fornisce in ogni caso supporto tecnico e di consulenza che permette al cliente di ottenere la scelta del palo più efficace attraverso la conoscenza delle varie tipologie, anche in termini di efficacia delle stesse e della loro affidabilità tecnico / scientifica, anche vagliando, insieme al cliente, l ampia offerta di ditte fornitrici al fine di indirizzarlo al meglio nella scelta. Abbiamo inoltre sviluppato e perfezionato tre protocolli di prova ed analisi per mettere terzi in grado di produrre una analisi ottimale per la corretta interfaccia con TELEIOS e per avere la massima possibilità di sfruttare quanto eseguito. Tali protocolli riguardano: - criteri per la migliore attuazione delle prove geotecniche in sito e in laboratorio finalizzate alle opere per supporto fotovoltaico; - criteri per la fornitura in campo statico e sismico dei carichi sulle fondazioni; - criteri per la esecuzione di prove di carico in sito su pali pilota. I primi due documenti sono generali ed applicabili a qualunque tipologia di fondazione mentre il terzo è specializzato appositamente per i pali a vite. PROGETTO DEI PALI A VITE In fase progettuale, dopo aver caratterizzato da un punto di vista geotecnico il sito, si calcola in via preliminare con metodi analitici la portata del singolo palo sia a trazione che a compressione in modo tale da ottenere un range di pali che meglio si prestano a sopportare le sollecitazioni derivanti dal calcolo della sovrastruttura, nel caso particolare dell impianto fotovoltaico. È però impossibile prescindere, prima della messa in opera, dall esecuzione di prove di carico a rottura del complesso palo terreno, i cui risultati saranno fondamentali per validare le scelte progettuali effettuate solo sulla scorta dei risultati teorici. Pagina 20 di 23

21 Attrezzatura Terrafix per l esecuzione di prove di carico su pali a vite. Pagina 21 di 23

22 Carico (kn) Cedimento (mm 2) Curva carico cedimento relativa ad una prova di carico su palo a vite in compressione. A titolo di esempio si riportano schematicamente i risultati dell analisi di una prova di carico tipica su un palo a vite effettuata con l interpolazione di Chin Kondner: nel grafico sono rappresentati i valori di flessibilità misurati in sito rispetto ai cedimenti. Tale andamento viene ben interpolato con un andamento lineare ed i parametri di tale retta si impiegano per la stima del valore della portata ultima. Pagina 22 di 23

23 3,00 2,50 2,00 Flessibilità w/q 1,50 1,00 Prova in sito 0,50 0, Spostamento (mm 2) Estrapolazione dei dati secondo la teoria di Chin - Kondner Avendo esposto le peculiarità dei pali a vite si vuol ulteriormente rimarcare i loro pregi ed i vantaggi conseguibili impiegandoli nelle fondazioni di impianti fotovoltaici: - velocità posa in opera; - rapido smantellamento dell impianto fondale; - possibilità di un futuro reimpiego degli stessi elementi; - sostegno di carichi ribaltanti. Questa tecnologia costruttiva è forse ancora poco conosciuta ed apprezzata ma TELEIOS, attraverso le sue analisi, è conscia delle sue notevoli potenzialità di impiego e di risoluzione di problematiche che trovano difficile alternativa nell impiego di fondazioni più tradizionali. Per informazioni: Ing. Marco Franceschini: marco.franceschini@teleios-ing.it Ing. Pierpaolo Semproli: pierpaolo.semproli@teleios-ing.it Pagina 23 di 23

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