Geognostica. 5F C.A.T. a.s Prof. Gianluigi Ferrario

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1 Geognostica 5F C.A.T. a.s Prof. Gianluigi Ferrario

2 Richiami di Geopedologia: il Terreno I terreni sono mezzi polifase costituiti da una fase solida (granuli), da una fase liquida (acqua) e/o da una fase gassosa (aria). L insieme dei granuli solidi di una terra costituisce il suo scheletro solido. 2 Un terreno si dice: saturo quando i suoi vuoti sono occupati dall acqua parzialmente saturo quando i pori sono occupati da una miscela di aria, acqua e vapore asciutto quando i pori sono occupati solo dall aria

3 Denominazioni granulometriche e classificazione Nei terreni abbiamo a che fare con grani di diverse dimensioni variabili da 10 3 e 10 2 mm. Diamo una definizione dei grani in base alle dimensioni e non alla composizione mineralogica: 3

4 Denominazioni granulometriche e classificazione 4

5 Denominazioni granulometriche e classificazione Nell'analisi granulometrica per setacciatura facciamo uso di appositi setacci disposti in serie, ognuno dei quali trattiene la frazione di solido i cui granuli hanno dimensioni maggiori dei fori del setaccio. La colonna di setacci viene generalmente appoggiata su un setacciatore che scuote la colonna per un determinato lasso di tempo, passato il quale si procede alla pesatura delle frazioni di solido trattenute in ciascun setaccio. Il peso di ciascuna frazione solida viene quindi rapportato al peso del solido totale. I valori dei passanti ottenuti e dei relativi diametri si riportano in un grafico ottenendo la curva granulometrica del terreno analizzato. 5

6 Denominazioni granulometriche e classificazione 6 ESEMPIO - Argilla: 22,5 % - Limo 13% - Sabbia: 55% - Ghiaia: 8,5% Sabbia argilloso - limosa debolmente ghiaiosa Per classificare del terreno seguiamo il seguente criterio: La frazione granulometrica di maggior % da il nome all aggregato (es. Sabbia); Quando il secondo materiale ha una percentuale in peso tra 25% 50% diciamo CON per unire i due nomi (es. Limo con argilla); Utilizziamo il suffisso OSO se la percentuale in peso della frazione successiva è tra 10% 25% (es. Limo con argilla sabbiosa); Utilizziamo il suffisso OSO e la particella DEBOLMENTE se la percentuale della frazione successiva è tra 5% 10% (es. Sabbia con ghiaia debolmente limosa).

7 Caratteristiche meccaniche dei terreni Coesione (c) Fra le superfici delle singole particelle di terreno nascono delle forze di adesione reciproca, non dipendenti dall attrito, strettamente legate alla struttura delle particelle stesse, e alla loro natura fisicochimica. Queste forze superficiali sono prevalenti e fanno sentire maggiormente il loro effetto se i granuli sono molto piccoli, perché al diminuire delle dimensioni dei granuli aumenta la superficie di contatto (diminuiscono i vuoti). Pertanto la coesione è presente nei terreni a grana fine (Limi, argille = GRANULI ATTIVI) e praticamente nulla nei terreni a grana grossa (sabbia, ghiaia = GRANULI INERTI). 7

8 Caratteristiche meccaniche dei terreni Angolo di attrito interno (φ) L attrito interno è rappresentato dalla resistenza allo scorrimento delle particelle di terra le une sulle altre. Si consideri un granulo superficiale di terra che appartiene alla superficie piana di un terreno incoerente, inclinata dell angolo α sull orizzontale; scomponendo il suo peso P: la componente Pn, perpendicolare alla superficie del terreno, genera una sollecitazione di compressione con tensione normale σ; la componente Pt, che agisce sulla superficie del terreno, genera una sollecitazione di taglio con tensione tangenziale τ. La componente Pt tende a far scivolare la particella di terreno verso il basso e viene contrastata dall azione resistente del terreno, detta forza di attrito Fa, la cui intensità dipende dalle caratteristiche delle superfici in aderenza, in questo caso del terreno e del granulo di terra. Pensando di aumentare gradualmente l inclinazione della superficie piana della terra, cioè l angolo α, si incrementa anche la forza Pt mentre la forza Pn si riduce fino al momento in cui viene vinto l attrito, risultando Pt > Fa, e il granulo scivola in basso lungo la superficie. Nell attimo immediatamente precedente all inizio del movimento del granulo di terra si ha una condizione di equilibrio alla quale corrisponde un certo valore dell angolo α, variabile da terra a terra, detto angolo di attrito ϕ, in funzione del quale può essere calcolata la forza di attrito: Fa = Pn f essendo f = tg ϕ = coefficiente di attrito 8

9 Caratteristiche meccaniche dei terreni Angolo di attrito interno (φ) Facendo cadere liberamente del terreno incoerente allo stato sciolto su una superficie piana orizzontale, questo si dispone secondo un cono; la generatrice della superficie conica forma con l orizzontale l angolo di attrito ϕ. Tenendo presente che l angolo ϕ può variare da 0 a 90, si possono avere i seguenti casi: α < ϕ (per cui tg α < tg ϕ e Pt < Fa): il granulo di terra è impedito a scorrere e si trova nella condizione di equilibrio statico; α = ϕ (per cui tg α = tg ϕ e Pt = Fa): il granulo di terra è nella condizione di equilibrio limite; α > ϕ (per cui tg α > tg ϕ e Pt > Fa): per il granulo di terra viene a mancare la condizione di equilibrio statico e scivola sulla superficie piana. In presenza di terreni incoerenti, le tensioni normale e tangenziale sono regolate dall equazione di scorrimento di Coulomb: τ = σ tg ϕ che nel caso di terreni coerenti viene scritta nella forma: τ = c + σ tg ϕ dove c rappresenta il valore della coesione, con le quali viene calcolata la resistenza di attrito per unità di superficie. 9

10 Caratteristiche meccaniche dei terreni Angolo di attrito interno (φ) Facciamo cadere liberamente, su una superficie piana, una certa quantità di terreno. Si formerà un cono caratterizzato da un angolo d'inclinazione < tanto maggiore quanto più elevate saranno le forze d attrito presenti tra un granulo e l altro. Tale angolo prende il nome di angolo di attrito interno del terreno considerato. 10

11 Le carte geologiche La carta geologica è la rappresentazione dei diversi tipi di rocce e terreni che affiorano sulla superficie terrestre, rappresentati da colori convenzionali. Nelle carte geologiche sono rappresentate anche le strutture tettoniche, le giaciture degli strati, i giacimenti di minerali, le aree fossilifere e le sorgenti. Le carte geologiche della Lombardia sono reperibili sul sito: 11

12 Indagini geognostiche 12

15 Prove geosismiche Le prove geosismiche sfruttano il principio secondo il quale la velocità di propagazione delle onde simiche (sisma deriva dal greco seismós = scossa) nel sottosuolo varia al variare delle proprietà elastiche dei terreni e della compattezza dei materiali da queste attraversati. Dalla misura diretta delle onde di compressione Vp e delle onde di taglio Vs, si può risalire alla probabile composizione litologica di massima dei terreni, al loro grado di fratturazione, alla geometria delle prime unità sottostanti la coltre superficiale, alla profondità in cui si trova la roccia di fondo (bedrock), alla sua forma e talora, in terreni alluvionali, alla profondità della falda freatica. Indagini sismiche a rifrazione La tecnica consiste nella determinazione diretta della velocità delle onde di pressione Vp, attraverso la misura dei tempi di primo arrivo delle onde sismiche generate in un punto in superficie (punto di sparo), che si rifrangono in profondità sullo strato di terreno rigido e risalgono in superficie dove vengono rilevate in corrispondenza di una molteplicità di punti disposti allineati (geofoni). Utilizzando diversi punti di sparo, è possibile elaborare una restituzione grafica bidimensionale delle velocità alle varie profondità (TOMOGRAFIA SISMICA). 15

16 Prove geosismiche 16 Indagini MASW (Multichannel Analisys of Surface Waves) La tecnica impiega sostanzialmente la stessa strumentazione utilizzata per le indagini a rifrazione. Il segnale, generato da una mazza battente, viene elaborato in maniera diversa in quanto viene misurata la riflessione delle onde superficiali (e non la rifrazione sul substrato). Lo scopo della prova sismica MASW consiste nel determinare il profilo di rigidezza del sito tramite la misura della velocità di propagazione delle onde di superficie e, successivamente stimare indirettamente la distribuzione della velocità delle onde di taglio Vs. Questo tipo di prova è principalmente utilizzata per determinare la categoria di sottosuolo per la microzonazione sismica. Con uno stendimento di 36 m si può indagare il terreno fino a circa 30 m di profondità (la sismica a rifrazione arriverebbe solo a circa 10 m).

17 Elaborati di progetto Il DM entrato in vigore a partire dal stabilisce le norme per la progettazione ed il dimensionamento delle strutture. In particolare vengono richiesti all interno della progettazione 3 documenti: relazione geologica relazione geotecnica relazione sulla modellazione sismica del sito. Relazione geologica La relazione geologica deve contenere le indagini, la caratterizzazione e modellazione geologica del sito, in riferimento all opera ed analizzare la pericolosità geologica del sito in assenza ed in presenza delle opere. Relazione geotecnica La relazione geotecnica riguarda l interpretazione dei risultati delle indagini, la caratterizzazione e modellazione geotecnica del terreno di fondazione, valutando l interazione opera/terreno ai fini del dimensionamento e della sicurezza. Nella relazione geotecnica vengono riportati, generalmente, i calcoli di capacità portante dei terreni, le verifiche di stabilità globale, il calcolo dei cedimenti e la descrizione della tipologia adottata per le strutture di fondazione. Relazione sulla modellazione sismica del sito La relazione sulla modellazione sismica del sito valutare la pericolosità sismica di base del sito, indicazione della classificazione sismica regionale, la microzonazione sismica e i criteri per la determinazione della massima accelerazione di progetto. Questo documento può essere redatto in forma di relazione indipendente o inserito nella relazione geologica e/o geotecnica. 17

18 La relazione Geognostica 18 Esempio di Relazione Geognostica redatta dal dott. geol. XXXXXXXXX Schema di relazione: 1. PREMESSA 2 2. RIFERIMENTI 2 3. METODOLOGIA DI ESECUZIONE DELLE INDAGINI 3 4. DESCRIZIONE DEL CANTIERE 3 5. CONDIZIONI IDROGEOLOGICHE 3 6. CARATTERIZZAZIONE GEOLOGICO TECNICA DEI TERRENI 4 7. PROGETTO 6 8. CALCOLO DELLA RESISTENZA DI PROGETTO 6 9. CALCOLO DEI CEDIMENTI COEFFICIENTE DI REAZIONE DEL SOTTOFONDO DI WINKLER ANALISI DELLE AZIONI SISMICHE RIASSUNTO DEI PARAMETRI E DELLE CARATTERISTICHE DEL TERRENO 11 ALLEGATI 12

19 La relazione Geognostica PREMESSA L Ing. Ferrario Gianluigi ci ha affidato l incarico per l esecuzione di un indagine geognostica in supporto al progetto di realizzazione di un edificio residenziale ad Arluno (MI) - via Redipuglia. Il programma delle indagini ha previsto l esecuzione di due prove penetrometriche dinamiche continue SCPT, svolte l 8 settembre L indagine, svolta in ottemperanza a quanto previsto dalla normativa del D.M. 14/01/2008, è stata finalizzata principalmente alla definizione delle caratteristiche stratigrafiche e geotecniche e sismiche dei terreni di fondazione; l obiettivo è stato quello di verificare la relazione Rd > Ed, come indicato nelle NTC , allo scopo di ottenere la corretta scelta, impostazione e dimensionamento delle opere fondazionali. Fanno parte della seguente relazione tecnica gli allegati: ubicazione delle indagini grafici delle prove penetrometriche eseguite 2- RIFERIMENTI Normative e raccomandazioni Norme Tecniche per le Costruzioni - 14 Gennaio Circolare LL.PP

20 La relazione Geognostica METODOLOGIA DI ESECUZIONE DELLE INDAGINI Prova penetrometrica dinamica continua (SCPT) La prova penetrometrica standard (Standard Cone Penetration Test) consiste nel misurare il numero di colpi necessario ad infiggere per 30 cm nel terreno una punta conica collegata alla superficie da una batteria di aste. Le misure vengono fatte senza soluzione di continuità a partire da piano campagna: ogni 30 cm di profondità si rileva perciò un valore del numero di colpi necessario all infissione. Caratteristiche tecniche: altezza di caduta della mazza: 75 cm; peso della mazza: 73 kg punta conica: conicità 60, φ = 51 mm; aste: φ =34 mm Il risultato viene dato in forma di grafico, con una linea rappresentante la resistenza che il terreno ha opposto alla penetrazione alla punta (RP).

21 La relazione Geognostica METODOLOGIA DI ESECUZIONE DELLE INDAGINI Prova penetrometrica dinamica continua (SCPT) La prova penetrometrica standard (Standard Cone Penetration Test) consiste nel misurare il numero di colpi necessario ad infiggere per 30 cm nel terreno una punta conica collegata alla superficie da una batteria di aste. Le misure vengono fatte senza soluzione di continuità a partire da piano campagna: ogni 30 cm di profondità si rileva perciò un valore del numero di colpi necessario all infissione. Caratteristiche tecniche: altezza di caduta della mazza: 75 cm; peso della mazza: 73 kg punta conica: conicità 60, φ = 51 mm; aste: φ =34 mm Il risultato viene dato in forma di grafico, con una linea rappresentante la resistenza che il terreno ha opposto alla penetrazione alla punta (RP). 4- DESCRIZIONE DEL CANTIERE Il piano di inizio dell indagine coincide con il piano strada. Le prove penetrometriche sono state spinte fino a rifiuto strumentale, raggiunto mediamente a 8 metri dal piano strada. Le quote sui grafici di penetrazione sono riferite al piano di inizio delle indagini e non allo zero di progetto.

22 La relazione Geognostica CONDIZIONI IDROGEOLOGICHE Durante l esecuzione delle prove non è stato possibile rilevare il livello della falda, che comunque in questa zona si attesta ad una profondità di circa 8 metri dal piano strada. 6- CARATTERIZZAZIONE GEOLOGICO TECNICA DEI TERRENI Le prove effettuate hanno rilevato un andamento confrontabile: fino alla profondità di 3,5 metri circa dal piano strada, il terreno investigato è costituito da sabbia limosa scarsamente addensata, a cui segue, sino al termine delle prove, uno strato di ghiaia sabbiosa da mediamente a ben addensata (il grado di addensamento aumenta con la profondità). I parametri geotecnici indicati nel seguito sono stati ottenuti indirettamente, mediante correlazioni empiriche, a partire dai risultati delle prove penetrometriche. I valori delle resistenze all avanzamento della prova penetrometrica dinamica sono stati correlati ai valori di N SPT, utilizzati per la valutazione dei parametri di resistenza e deformabilità, mediante la seguente relazione: Nspt = 1,5 Nscpt I valori di resistenza alla penetrazione dinamica ricavati dalla prova in sito sono stati normalizzati in funzione della profondità, del tipo di attrezzatura utilizzata e della caratteristiche granulometriche generali dei terreni, secondo la seguente equazione: N (60) = N SPT 1.08 Cr Cd Cn dove: N (60) = valore di resistenza normalizzato Cr = fattore di correzione funzione della profondità Cd = fattore di correzione funzione del diametro del foro Cn = fattore di correzione funzione della granulometria del terreno 1.08 = valore di correzione funzione delle caratteristiche di restituzione dell energia sviluppata dall attrezzatura

23 La relazione Geognostica 23 La stima del valore della densità relativa (Dr) è stata eseguita secondo le equazioni proposte da Skempton (1986): La valutazione del valore dell angolo d attrito mobilizzabile, in termini di sforzi efficaci, è stata effettuata sulla base delle correlazioni proposte da Shmertmann, Sono state quindi riconosciute due unità geotecniche, suddivise per spessore e aventi le seguenti caratteristiche meccaniche: Dal piano di inizio indagini a 3,5 m N SPT = 8 Φ = 29 γ = 17 kn/m 3 D r = 25 % Da 3,5 m fino al termine delle prove N SPT = 30 Φ = 36 γ = 18 kn/m 3 D r = 70 %

24 La relazione Geognostica 24 Secondo quanto disposto dalle Norme Tecniche, tali parametri meccanici devono essere trattati in maniera statistica, adottando valori a cui sia associata una probabilità di superamento non superiore a 5% (2.3 NTC2008), ottenendo parametri definiti caratteristici. Nel nostro caso appare giustificato il riferimento a valori medi, vista la confrontabilità delle prove. profondità nominale (da prove) k (caratteristico) 0 m 3,5 m ,5 m al termine delle prove PROGETTO L intervento prevede la realizzazione di due edifici residenziali (villette) costituiti da un piano seminterrato e due piani fuori terra. La quota di imposta delle fondazioni, considerate dirette continue, con una larghezza variabile tra 90 e 120 cm, risulterà a - 2,2 metri dal piano strada e i carichi previsti sono compresi tra 10 e 20 tonnellate a metro lineare.

25 La relazione Geognostica 8- CALCOLO DELLA RESISTENZA DI PROGETTO 25 Per il calcolo della resistenza di progetto Rd, la normativa impone l utilizzo di coefficienti parziali riduttivi, da applicare ai valori caratteristici dei parametri meccanici del terreno, secondo due approcci ( NTC2008). Le verifiche devono essere effettuate nei confronti dei seguenti stati limite: SLU di tipo geotecnico (GEO) e SLU di tipo strutturale (STR), accertando che la condizione Ed Rd, dove Ed è il valore di progetto dell azione e Rd è il valore di progetto della resistenza del sistema geotecnico. La verifica della suddetta condizione deve essere effettuata impiegando diverse combinazioni di gruppi di coefficienti parziali, rispettivamente definiti per le azioni (A1 e A2), per i parametri geotecnici (M1 e M2) e per le resistenze (R1, R2 e R3). I diversi gruppi di coefficienti di sicurezza parziali sono scelti nell ambito di due approcci progettuali distinti e alternativi. Si è scelto di utilizzare l approccio 2, dove è prevista un unica combinazione di gruppi di coefficienti, da adottare sia nelle verifiche strutturali sia nelle verifiche geotecniche. Approccio 2: (azioni A1 + materiali M1 + resistenze R3) I coefficienti parziali dei parametri di resistenza del terreno (M) sono unitari e la resistenza globale del sistema (R) è ridotta tramite il coefficiente del gruppo R3, pari a 2,3.

26 La relazione Geognostica Una volta conosciuti ed elaborati i parametri geotecnici, calcoliamo la resistenza di progetto; La valutazione è eseguita sulla base dell equazione proposta da Brinch-Hansen (1970); l equazione adottata, nella sua forma più generale, è la seguente: 26

27 La relazione Geognostica Alla quota di imposta considerata, cioè 2,2 metri dal piano di inizio delle indagini, il risultato ottenuto è : 27 Approccio 2: Rk = 322 kpa Per il calcolo del valore di progetto della resistenza del sistema geotecnico, l approccio impone il coefficiente parziale R3 = 2,3 ne consegue che la resistenza di progetto Rd che non deve essere superata dalle azioni di progetto Ed è: Approccio 2 Rd = 140 kpa (>Ed). 9. CALCOLO DEI CEDIMENTI Per il calcolo dei cedimenti utilizziamo il metodo di Burland & Burbidge, basato su un analisi statistica di oltre 200 casi reali, comprendenti fondazioni di dimensioni variabili tra 0.8 e 135 m. L espressione per il calcolo dei cedimenti è la seguente:

28 La relazione Geognostica 28

30 La relazione Geognostica 30 Calcolo dei cedimenti - Burland & Burbidge (1984) Pressione: 140 kpa (SLU), Quota di imposta: - 2,2 m, Carico = 20 t/ml Pressione: 140 kpa (SLU), Quota di imposta: - 2,2 m, Carico = 10 t/ml Tempo, 0 sec s i = 11 mm s i = 8 mm Tempo, 10 anni s t = 16 mm s t = 12 mm 10- COEFFICIENTE DI REAZIONE DEL SOTTOFONDO DI WINKLER Il valore del coefficiente di Winkler è il parametro che permette di determinare la rigidezza di una fondazione; viene calcolato con il metodo di Vesic che lega il coefficiente ai cedimenti (immediati) della fondazione ed al carico allo SLU. L espressione generale adottata per il calcolo è la seguente: K w = Rk C Dove C è un coefficiente adimensionale inversamente proporzionale al valore di cedimento. Con le pressioni ammissibili ottenute, associate ai rispettivi cedimenti, otteniamo i seguenti valori: CARICO (t/ml) PRESSIONE (kpa) CEDIMENTI (mm) COEFF. DI WINKLER (kn/m 3 ) / /

31 La relazione Geognostica ANALISI DELLE AZIONI SISMICHE Il Decreto Ministeriale del 14 Gennaio 2008 Norme Tecniche per le Costruzioni impone la verifica delle azioni sismiche sulle nuove costruzioni. Come prima fase si determinano i parametri delle azioni sismiche di progetto proprie del sito oggetto di intervento; il territorio comunale di Arluno è collocato in zona sismica 4, con parametri sismici per periodi di ritorno di riferimento Tr, riportati nella seguente tabella: "Stato Limite" Tr [anni] ag [g] Fo [-] T* c [s] Operativitá Danno Salvaguardia Vita Prevenzione Collasso Dove Ag = accelerazione orizzontale massima al sito, Fo = valore massimo del fattore di amplificazione dello spettro in accelerazione orizzontale, Tc = periodo di inizio del tratto a velocità costante dello spettro in accelerazione orizzontale.

32 La relazione Geognostica 32 Per la scelta dei parametri progettuali, vista l importanza dell opera, abbiamo assegnato al manufatto una vita nominale Vn ( NTC2008) maggiore di 50 anni e una classe d uso II (2.4.2 NTC2008). Ne consegue che il periodo di riferimento Vr per le azioni sismiche è pari a Vr = Vn Cu (coefficiente d uso=1 per classe d uso II) = 50 anni. L azione sismica di progetto tiene inoltre conto della categoria di sottosuolo di riferimento (3.2.2 NTC2008); sono previste cinque classi di terreni, identificabili sulla base delle caratteristiche stratigrafiche e delle proprietà geotecniche rilevate nei primi 30 metri, e definite dai seguenti parametri: velocità delle onde S, numero colpi SPT e/o coesione non drenata. Le NTC2008 raccomandano fortemente la misura diretta della velocità di propagazione delle onde di taglio VS, ma in questo caso tale classe è stata definita mediante l esecuzione di prove penetrometriche, come concesso nelle norme. L area oggetto di indagine presenta terreni rientranti nella categoria C, definiti nel DM come Depositi di terreni a grana grossa mediamente addensati. caratterizzati da graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di V s30 compresi tra 180 m/s e 360 m/s (ovvero 15 < N SPT < 50). Come condizione topografica al contorno, dovrà essere considerata la categoria T1, propria dei terreni pianeggianti.

33 La relazione Geognostica RIASSUNTO DEI PARAMETRI E DELLE CARATTERISTICHE DEL TERRENO CARATTERISTICHE STRATIGRAFICHE DEI TERRENI DI FONDAZIONE: sabbia limosa fino a circa 1,3 metri al di sotto della quota di imposta; ghiaia sabbiosa oltre tale profondità. STATO DI ADDENSAMENTO ALLA QUOTA DI IMPOSTA: scarso fino a circa 1,3 metri al di sotto della quota di imposta; medio/buono oltre tale profondità STATO LIMITE ULTIMO ALLA QUOTA DI IMPOSTA: 140 kpa COEFFICIENTE DI REAZIONE DEL SOTTOFONDO (WINKLER): per 20 t/ml: kn/mc; per 10 t/ml: kn/mc PRESENZA DI ACQUE SOTTERRANEE: livello di falda ad una profondità di circa 8 metri dal piano strada CAPACITA DRENANTE DEL TERRENO: scarsa fino a circa 1,3 metri dal piano strada; buona oltre tale profondità.

36 Fonti D. M. Infrastrutture Trasporti 14 gennaio 2008 (G.U. 4 febbraio 2008 n Suppl. Ord.) Norme tecniche per le Costruzioni Circolare 2 febbraio 2009 n. 617 del Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti (G.U. 26 febbraio 2009 n. 27 Suppl. Ord.) Istruzioni per l'applicazione delle 'Norme Tecniche delle Costruzioni' di cui al D.M. 14 gennaio Ing Francesco Zanghì Materiale didattico Giuseppe Scasserra Modulo di geotecnica e fondazioni Maurizio Tanzini - Manuale del geotecnico Annamaria Cividini Dispense Corso di Geotecnica Politecnico di Milano 36