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PROGETTAZIONE GEOTECNICO-STRUTTURALE DI UN PARCHEGG IO INTERRATO
CON DIAFRAMMI IN TRAZIONE
Valentina Berengo ([email protected]),Luca Zanaica
([email protected]), Christian Giomo
([email protected]), Roberto Zanon
([email protected]) Simone Zeffin ([email protected]),
Luca Marruccelli ([email protected]) NET Engineering
S.p.A.
ABSTRACT. Il presente articolo illustra il processo di
progettazione geotecnico-strutturale di un parcheggio interrato
fondato su diaframmi in trazione che lo ancorano al terreno.
L’interazione terreno-struttura è stata simulata con un
procedimento iterativo di modellazione FEM 3d geotecnica e
strutturale, attraverso la definizione di opportune rigidezze
traslazionali che simulino, nel modello strutturale, il
comportamento deformativo dei diaframmi.
1. Introduzione
Il presente articolo illustra la soluzione progettuale proposta
per la realizzazione di un parcheggio interrato a due piani, di
superficie pari a 7100 m2, in terreno sabbioso ghiaioso con quota
di falda prossima al piano campagna. Lo scavo propedeutico alla
realizzazione del solettone gettato in opera, è sostenuto da
diaframmi perimetrali in c.a. dello spessore di 80 cm e di
lunghezza pari a 25 m.
I diaframmi perimetrali sono adeguatamente vincolati, per mezzo
di tiranti o irrigidimenti strutturali necessari alla stabilità. Si
è ridotto lo spostamento della sommità del diaframma ricorrendo,
laddove necessario, ad una sezione strutturale a T, unitamente al
ricorso ad una trave di coronamento a lama e alla realizzazione di
micropali provvisori in prossimità dell'edificio a ridosso dello
scavo.
La specificità del progetto si evidenzia nella realizzazione di
98 diaframmi di ancoraggio lavoranti a trazione, dello spessore di
100 cm e di lunghezza pari a 25 m a partire dalla quota di fondo
solettone. La funzione cui assolvono è quella di ancorare la
soletta, altrimenti soggetta al fenomeno del galleggiamento
(prevalentemente nella sua parte centrale) a causa di un'elevata
spinta di Archimede. I diaframmi preposti all'ancoraggio sono stati
modellati con un programma tridimensionale agli elementi finiti
(PLAXIS 3d) per valutare la capacità attritiva esplicata lungo le
pareti e la rigidezza offerta nel vincolare la platea. I valori di
rigidezza ottenuti sono stati utilizzati per la modellazione
strutturale della platea stessa, effettuata anch'essa con un
programma tridimensionale agli elementi finiti in cui i diaframmi
sono stati modellati per mezzo di supporti lineari elastici.
Figura 1. Pianta, sezione e vista tridimensionale del parcheggio
interrato
2. Profilo geotecnico e livello piezometrico
La caratterizzazione geotecnica è stata condotta sulla base di
quattro sondaggi spinti a 30 m di profondità ed uno fino a 40 m dal
p.c., contestualmente ai quali sono state effettuate prove
penetrometriche dinamiche (SPT) e prove di laboratorio sui campioni
estratti dalle unità coesive. A partire dalle prove SPT, è stata
valutata la densità relativa come proposto da Kulhawy & Mayne
(1990) quindi l'angolo di attrito (secondo Schmertmann, 1978). I
parametri di deformabilità sono stati valutati in funzione del
modello di terreno adottato nella simulazione agli elementi finiti
"Hardening Soil Small" (Benz, 2007). Esso è composto da una legge
costitutiva con dominio elastico, doppia superficie di
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snervamento e legge di rottura alla Mohr-Coulomb, in cui è
inserita una legge di decadimento del modulo di rigidezza elastico
G0 con il livello deformativo, tale da limitare la dipendenza del
risultato dai boundaries. Per maggiori dettagli si rimanda a Schanz
et al., 1999 e Benz, 2007. La quota di falda si attesta a circa 2 m
da p.c. con un'escursione tale da portare il livello fino ad un
massimo di 0.5 m da p.c.
z in z fin γγγγsat cu φφφφP φφφφcr Dr MoedMoed
(100kPa)E50
(100kPa)Eur
(100kPa)ψψψψ G0 γγγγ0.7 m
(m) (m) (kN/m 3) (kPa) (°) (°) (%) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (°)
(MPa) (-) (-)
1 Limi argillosi 0 3 19 40 26 - - 1.85 3.7 9 0.0 58 2.00E-04
1
2Sabbie limose-limi
sabbiosi3 5 19 35 31 45 27 43 43 128 4.8 254 3.00E-04 0.5
3
Ghiaie poco addensate in matrice sabbiosa con
intercalazioni limo- sabbiose
5 9 18.5 36 32 45 27 32 32 97 4.8 247 3.00E-04 0.5
4Sabbia mediamente
addensata con ghiaia9 12 18.5 37 32 65 39 38 38.1 114 6.1 550
3.00E-04 0.5
5Ghiaia mediamente
addensata12 22 18.5 39 32 71 42.6 33 33 98 8.6 550 3.00E-04
0.5
6 Sabbia-sabbia limosa 22 29 18.5 35 31 60 36 23 23 68 4.8 284
3.00E-04 0.5
7 Argilla 29 35 19 60 27 - - 1.7 3.4 9 0.0 292 2.00E-04 1
Strato Descrizione
Tabella 1. Modello geotecnico
3. Analisi della problematica geotecnico-struttural e e
soluzione progettuale
Dato l’elevato livello piezometrico e l’entità dell’estensione
del solettone di base (sp.1m), il principale problema di natura
geotecnico-strutturale è costituito dalla necessità di far fronte
al sollevamento dell’opera che la spinta idrostatica comporterebbe,
una volta disattivato il sistema di emungimento, poiché non è
prevista alcuna sovrastruttura fuori terra. Laddove la verifica
geotecnica potrebbe essere globalmente soddisfatta, localmente,
lontano dal perimetro diaframmato, la soletta risulterebbe soggetta
ad elevati sforzi flessionali che ne comprometterebbero
l’integrità.
Si è pertanto scelto di ricorrere ad un sistema di 98 diaframmi
singoli 1mx2.5m disposti come in Figura 1 per ancorare la
struttura, attraverso il peso della diaframmatura stessa unito alla
resistenza opposta dall’attrito laterale allo sforzo di trazione
cui ciascun diaframma risulta soggetto. La volontà progettuale,
inoltre, è quella di rendere il più semplice possibile il getto del
solettone di base, senza l’utilizzo di giunti strutturali per il
controllo del ritiro viscoso: i diaframmi di ancoraggio risultano
perciò non solo sollecitati verticalmente (carichi gravitazionali
ed idrostatici) ma anche orizzontalmente dagli effetti stessi del
ritiro, e questo avviene maggiormente nei diaframmi più lontani dal
centro di ritiro della struttura.
Si è ricorsi alla modellazione tridimensionale agli elementi
finiti sia per la stima della capacità portante a trazione del
singolo diaframma, operata con il software per la modellazione
geotecnica PLAXIS 3d, sia per la modellazione della platea, allo
scopo di ricavarne lo stato di sollecitazione, con il software
strutturale SOFiSTiK.
Modellazione 3d dei diaframmi di ancoraggio
Il modello FEM include la presenza dell'elemento tridimensionale
"pannello" immerso nel continuo costituito dagli strati geotecnici
di cui alla Tabella 1, caratterizzati dal modello costitutivo
“Hardening Soil Small” di cui al paragrafo 2, con una mesh
costituita da elementi tetraedrici a 10 nodi. Il pannello di
diaframma è simulato con un modello costitutivo elastico lineare,
riproducente la rigidezza flessionale ed assiale del calcestruzzo
(Rck 30 MPa). Gli spostamenti sono impediti nelle direzioni
orizzontali ai contorni della mesh. L’analisi numerica è consistita
nella ricerca del valore critico di trazione dell'elemento
"diaframma", ovvero al raggiungimento della condizione di
"non-convergenza" numerica del modello FEM (vedi Figura 2c)).
Figura 2 – a)mesh e tensioni tangenziali b) diffusione dello
stato di trazione c) curva carico-spostamento
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Calibrazione delle rigidezze
Per trasferire al modello FEM strutturale del solettone la
componente derivante dalle opere fondazionali, di comportamento
intrinsecamente non-lineare e dipendente dallo stato tensionale e
deformativo, si è ricorsi ad un processo di progettazione iterativa
mediante i software di calcolo PLAXIS 3d e SOFiSTiK.
Nel modello strutturale in SOFiSTiK i diaframmi sono simulati da
una "linea strutturale" avente rigidezze traslazionali (X e Y)
lineari calibrate in funzione degli effettivi spostamenti che le
teste dei diaframmi presentano a lungo termine. Questi valori di
rigidezza sono stati ottenuti imponendo la sollecitazione
risultante dall’analisi strutturale con una rigidezza di tentativo
alla modellazione geotecnica, in presenza ed in assenza di vincolo
alla traslazione e alla rotazione in testa-diaframma
rispettivamente. Alla luce degli spostamenti ottenuti, è stato
possibile ricavare dei nuovi valori per le rigidezze trasversali ed
iterare il procedimento sino a convergenza.
L’analisi così condotta ha portato alla conclusione che i
diaframmi dimostrano avere una rigidezza relativa rispetto alla
soletta di base sensibilmente diversa lungo l’asse X (parallelo al
lato lungo dello stesso) e lungo l’asse Y (parallelo al lato
corto): per spostamenti lungo l'asse X il diaframma mostra un
comportamento a cerniera in testa mentre per spostamenti lungo
l'asse Y il diaframma è come se fosse incastrato.
Modellazione 3d del solettone di base
Figura 3. Modello del solettone e della testa dei diaframmi
Il solettone del basamento del parcheggio è dimensionato e
verificato con l'ausilio di una modellazione 3D ad elementi finiti
di tipo plate: 17.505 elementi di tipo quandrangolare a 4 nodi
costituiscono il solettone dello spessore di 1m. Il vincolo offerto
dai diaframmi è simulato da elementi lineari di rigidezza assegnata
calibrata come sopra descritto. L’analisi condotta ha rilevato lo
stato di sollecitazione riprodotto in Figura 3.
4. Conclusioni
La problematica evidenziata dal progetto ha mostrato come sia
necessario ricorrere, per una progettazione ottimale, ad un
processo di integrazione tra l’ingegneria geotecnica e l’ingegneria
strutturale, in cui la valutazione della cedevolezza del terreno
deve essere correttamente stimata per la corretta valutazione del
comportamento delle strutture. Nel caso specifico, il ricorso
all’utilizzo dei diaframmi in trazione per la stabilità idraulica,
ma anche strutturale, del complesso, ha permesso di limitare lo
spessore del solettone di base riducendo i costi complessivi. Si è
scelto di reinterpretare la funzione del diaframma e ciò conferisce
alla soluzione progettuale anche carattere di originalità.
5. Bibliografia
Benz T (2007). Small-strain stiffness of soils and its numerical
consequences. Institut fuer Geotechnik Stuttgart, PhD thesis
Kulhawy F.H., Mayne P.W. (1990). Manual of Estimating Soil
Properties for Foundation Design. New York : Cornell University,
Ithaca
Schanz T., Vermeer P.A., Bonnier P.G. (1999). The hardening soil
model: Formulation and verification. Beyond 2000 in Computational
Geotechnics-10 Years of Plaxis
Schmertmann J.H. (1978). Guidelines for Cone Penetration Test,
Performance and Design, Report No. FHWA-TS-78-209, U.S. Department
of Transportation, Washington, D.C.