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Progettazione di opere portualiNorme NTC 2008 ed Eurocodici

Ing. Maurizio Lenzi

Sheet Piling Day Ravenna 21-10-2010

SHEET PILING

Sheet Piling

SHEET PILING

Sheet Piling

SHEET PILING

PARATIE

Profilo H : funzione portantePalancola: funzione di contenimento

Sezione tipo di palancolato composto

• Le Norme NTC 2008 emanate con il D.M. 14/01/2008 individuano in accordocon gli Eurocodici EC7 (Progettazione Geotecnica) ed EC8-5 (requisitigeotecnici per la progettazione sismica) i criteri di progetto strutturale per leopere interagenti con il terreno. In particolare viene richiesto quanto segue:

Criteri di Progettazione - NTC 2008

È responsabilità del progettista la definizione del piano delle indagini,la caratterizzazione e la modellazione geotecnica.

Schema delle fasi di progettazione

MODELLO DI INTERAZIONE

1. Analisi strutturale dell’opera

2. Verifica di resistenza e di stabilità

3. Verifica delle deformazioni

Piano di Controllo e Monitoraggio

INTERAZIONE TERRENO-STRUTTURA

1) La pressione mobilitata dal terreno dipende dall’entità dello spostamento della struttura.

2) La pressione del terreno varia entro valori limiti di plasticizzazione definiti attivi o passivi in relazione alla direzione dello spostamento della struttura verso valle o verso monte.

3) Comportamento del terreno è marcatamente non lineare.

Interazione terreno-struttura

Sistema di azioni mutue interne che l’opera ed il terreno si scambiano per mantenere congruente il campo dei movimenti

passiva del terreno

Il terreno a monte applica un’azione Cunei di Spinta

Il terreno a valleoppone una resistenza

Coefficienti di spinta attiva e passiva

Modello Elasto - Plastico

pa= pressione attiva

pp = pressione passiva

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

M = moduloα = esponente

pr = 100 KPa

σ’o = pressione orizz.efficace a riposo

Natura del terreno M α

Sabbia (ϕ =30÷35°) 200÷300 0.5

Argilla (cu=40÷60 KPa) 60÷80 0.8÷1.0

Azione esterna e di vincolo esercitati dalla spinta del terrenoAzione esterna e di vincolo esercitati dalla spinta del terreno

CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE

Azione esterna e di vincolo esercitati dalla spinta del terreno

movimentodella paratia

• Le Norme NTC 2008 emanate con il D.M. 14/01/2008 individuano in accordocon gli Eurocodici EC7 (Progettazione Geotecnica) ed EC8-5 (requisiti per laprogettazione sismica in ambito geotecnico) i seguenti criteri di progettostrutturale per le opere interagenti con il terreno:

• Progettazione basata su criteri semiprobabilistici agli stati limite ultimi(SLU) e agli stati limite di esercizio (SLE)

• Definizione delle azioni sismiche e dei criteri di resistenza in gerarchiadelle resistenze allo stato limite di salvaguardia della vita (SLV) e lo statolimite di danno (SLD).

• Definizione dei criteri di progetto e di caratterizzazione geotecnica enella modellazione del terreno

• STATO LIMITE ULTIMO:

VENGONO CONFRONTATE LE SOLLECITAZIONI (Sd) INDOTTE DALLE CONFIGURAZIONI DICARICO AVENTI STATISTICAMENTE UN ELEVATO PERIODO DI RITORNO IN RELAZIONE ALLAVITA UTILE DELL’OPERA CON LE RESISTENZE ULTIME (Rd) DEL MATERIALE. I VALORI DIPROGETTO DELLE AZIONI E DELLE RESITENZE SI RICAVANO APPLICANDO AI VALORICARATTERISTICI:

• FATTORI PARZIALI AMPLIFICATIVI PER LE AZIONI (γF)

• FATTORI PARZIALI RIDUTTIVI PER LE RESISTENZE (γm)

• CONDIZIONE DI VERIFICA ALLO SLU: Sd = γF Sk < Rd=Rk/ γm

• In ambito geotecnico si applicano ulteriori fattori di sicurezza per tenerconto dell’incertezza dell’interazione tra terreno e struttura.

Progettazione agli Stati Limite

Approccio 1 - Combinazione 1 - STRCombinazione 2 - GEO Paratie

Approccio 2 – Unica combinazione (STR+GEO) Tiranti - Pali

PARATIE

STATI LIMITE DI RESISTENZA DEL TERRENOGEO-HYD-UPL

1. Collasso per rotazione intorno a un punto dell’opera (atto di moto rigido)

2. Collasso per carico limite verticale

Verifica della capacità portante verticaleComportamento a palo per carichi trasmessi da vie di corsa

3. Sfilamento di uno o più ancoraggi

4-5-6 Sollevamento fondo scavo e sifonamento

7. Instabilità globale dell’insieme opera-terreno

STATI LIMITE DI RESISTENZA DELLA STRUTTURASLU - STR

Stati Limite STR

Raggiungimento della resistenza ultima strutturale nei vincoli e nella paratia

STATI LIMITI ULTIMICOMBINAZIONI DI CARICO E PARAMETRI GEOTECNICI

• STATO LIMITE ULTIMO: VENGONO CONFRONTATE LE

Combinazione di carico A1 = 1.3 Gk + 1.5 Qk (STR)

Combinazione di carico A2 = 1.0 Gk + 1.3 Qk (GEO)

Resistenza a taglio caratteristica: τk = c’k+ σ’v tanϕk ; τk = cuk

Resistenza a taglio di progetto: τd = [c’ k + σ’v (tanϕk)] / 1.25 ; τd = cuk/1.4

Parametri Geotecnici M1 = resistenza caratteristica del terreno (STR)

Parametri Geotecnici M2 = resistenza di progetto del terreno (GEO)

(γR2=1.1)

(γR1=1.0)

Stato Limite STRStato Limite GEO

(Approccio 1)

PARATIE – COMBINAZIONI DI VERIFICA

PARATIE - FASI DELLA PROGETTAZIONE

Struttura di riferimento

DIMENSIONAMENTO GEOTECNICO

Stato Limite GEO - Rotazione attorno ad un punto

Stato Limite GEO - Instabilità Generale

DIMENSIONAMENTOSTRUTTURALE

Stato Limite STR - Combinazione A1+M1

Criteri di Progettazione - NTC 2008MG

MTOT 1.3 MG+1.5⋅(MTOT-MG)

SHEET PILING - Diagramma dei Momenti -

-3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

Momenti Flettenti [KNm/m]

Spinta del terreno

Spinta del terreno e del sovraccatrico (60 KPa)Cpombinazione A1+M1+R1

MG MG+Q 1.3⋅MG+1.5⋅(MG+Q - MG)

-3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

Combinazione A1+M1

Caratteristiche geometriche delle sezioni serie HZ - AZ

Md = max (MA1+M1) < MR= (fyk/γm) We

Criteri di Verifica allo SLU

fyk = tensione caratter. di snervamento (yield point)

We = modulo resistente della sezione

γm = coeff. parziale di sicurezza dell’acciaio = 1.05

DURABILITA’

We,rid = Modulo resistente della sezione ridotta

Md = max (MA1+M1) < MR= (fyk/γm) We,rid

Verifica a lungo termine

Rivestimenti epossidici - Protezione catodica

Trattamenti protettivi

Stato Limite di Esercizio

-3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

Spinta del terreno

Spinta del terreno e del sovraccatrico (60 KPa)

MG MG+Q

Tensioni in esercizio

Valori di riferimento

Criterio di dimensionamento

SLEdSLE W

M ,=σ

Deformazione della paratia e profilo di subsidenza a monte

Compatibilità degli Spostamenti

Distorsioni Angolari Limite

Verifiche di Stabilita’

Dragaggio dei fondaliCondizioni drenate a lungo termine

Riempimento a tergo del palancolatoCondizioni non drenate a breve termine

VERIFICA DELLE CONDIZIONI A BREVE E LUNGO TERMINE

Condizioni Critiche di Verifica

Verifica di stabilità in condizioni drenate e non drenate

Dragaggio a valle

Dragaggio a valle – Verifica a lungo termine in condizioni drenate

Sovra prssioninegative

Sovra pressioninegative

Riempimento a tergo

Riempimento a tergo – Verifica a breve termine in condiz. non drenate

Sovra pressioni positive

Azione Sismica

Azione sismica

Parametri sismici di progetto

Azione sismica

Parametri sismici di progetto

ag = accelerazione al suolo su base rigida la cui intensità dipende dal sito e dalla probabilità di superamento nella vita utile dell’opera

SLV = stato limite salvaguardia delle vite (10%) SLD = stato limite di danno (63%)

S = coeff. di amplificazione stratigrafica (Ss) e topografica (ST) chetiene conto della deformabilità degli strati più superficiali (H<30 m) e che viene definito in funzione della Categoria Stratigrafica delsito ed identificata tramite la velocità delle onde di taglio Vs30

S = SSST

amax = agS = accelerazione in superficie (PGA)

Azione sismica

Categorie Stratigrafiche del Sottosuolo

Azione Sismica

amax = agS

Spettro di Risposta

Parametri sismici

Vita NominaleClasse d’uso

Stato Limite [SLV]Categoria Stratigrafica

Azione Sismica

Azione sismica di progetto

Fs = Kh W

Kh = α⋅β amax/g

Azione Sismica

Coefficiente di deformabilità

Coefficiente dispostamento

Kh = α⋅β⋅(amax / g )

deformabilità del terrenoa tergo della paratie

spostamento post-sismico dellaparatia ammissibile senza riduzione

di capacità portante

Azione sismica

METODO PSEUDO STATICO

hsath K

γγϑ ==

Azione sismica

Combinazione “A1+E”+M1+R1

γF(A1)=1.00

Sloshing – v EC8-5q(z)=(7/8) Kh γw (hz)0.5

Azione sismica

-3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

Combinazione Sismica

"A1+E" + M1

Azione sismica

-3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

Combinazione Sismica

Combinazione A1+M1

Carichi Statici

Carichi sismici

Verifiche di Stabilita’ Generale

VERIFICA DI STABILITA’ GENERALEIN CONDIZIONI SISMICHE “A2+E”+M2+R2

FATTORE SI SICUREZZA = 1.1

I coefficienti parziali A2 sulleazioni variabili in condizioni

sismiche assumono valori unitari

Verifiche di Stabilita’ Generale

VERIFICA DI STABILITA’ GENERALEIN CONDIZIONI SISMICHE “A2+E”+M2+R2

Azione sismica

Liquefazione dei terreni

Azione sismica

Liquefazione dei terreni sotto falda

Azione sismica

Azione Sismica

Fusi granulometrici di terreni suscettibili di liquefazione – Uc < 3.5

Uc=d60/d10Terreni poco

assortiti

Azione Sismica

Fusi granulometrici di terreni suscettibili di liquefazione – Uc>3.5

Uc = d60/d10Terreni

assortiti

Azione Sismica

Resistenza ciclica alla Liquefazione

FC = Contenuto di parti fini

Azione Sismica

Resistenza Ciclica (CRR) > Sollecitazione Ciclica (CSR)

Indice del Potenziale di Liquefazione

Verifica alla Liquefazione

FS = CRR/CSR FL=1-FS per Fs<1

IL= Σ FLi (10- zi/2) Δzi

FL= 0 per Fs>1M = magnitudo

''' 5.765.0 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⋅==>=M

CSRCRRvo

Azione sismica

INTERVENTI DI MIGLIORAMENTO DEL TERRENO

VIBROFLOTTAZIONE – Compattazione profonda

COLONNE DI GHIAIA – Dissipazione sovra pressioni

2 eeeds

=πs = interasse dei dreni

d = diametro dei drenieo= indice dei vuoti inizialee = indice dei vuoti finale

Azione sismica

Compattazione del terreno

Azione sismica

CompattazioneInfissione Riempimento

Vibroflottazione

Azione sismica

Vibroflottazione

Cono di depressione

Azione sismica

Vibroflottazione

riempimeto

riempimento

TIRANTI DI ANCORAGGIO

Combinazione A1+M1+R3 (STR+GEO)

Resistenza di progetto

Sollecitazione di progetto )(5.13.1 GQGGd SSSS −⋅+⋅= +

(γR = γR3)

Valor medio

Valore min⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

RRMinRξξ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

RRMinRξξ

parzialecoeffticacaratterisresistenzaRR

Le prove di verifica, da effettuarsi su tutti i tiranti, consistono in un ciclo in cui il tirante viene sottoposto ad una forza pari ad 1.2 volte la forza massima prevista in esercizio.

Prove di carico di progetto a rottura

Prove di carico di verifica sui tiranti

Rd > Tk > Sd

Tiranti in BARRE(Gewi - Dywidag)

(Tiranti subacquei)

Criterio di Gerarchie delle Resistenzeper barre d’acciaio a snervamento definito

Tk > Rd > Sd

Tiranti con TREFOLI

Tiranti – Requisiti di progetto

Disposizione di sistemi di ancoraggio a tergo della paratia

Condizioni di carico di progetto

CONDIZIONI DI CARICO RICORRENTI

Sovraccarico uniforme = 20-40-60 KPa

Tiro nelle Bitte = 500-1000 - 1500 KN

Spinta sui parabordi = 500-1000-1500 KN

Condizioni di Carico di progetto

ESEMPI

Sovraccarico sul piazzale

Tiro nelle bitte

F = 500-1000 KN

Schema Statico – Tiro nella bitta

Parabordi

Spinta sui parabordi

221 VMCCCCE SCEMD ⋅⋅⋅⋅⋅=

Energia cinetica di impatto

CM = coeff. di massa aggiunta CE = coeff. di eccentricità

Cc = coeff. di accosto Cs= coeff. di deformabilità

M = dislocamento della nave V = velocità di accosto

BDCM21+=

222 cosRK

RKCE ++

K = (0.19 Cb + 0.11) LBP

(CE=0.6÷0.8)

(CM=1.6÷2.0)

CC = 0.9 per banchine a parete verticale1.0 per strutture aperte (pontili)

CS = 0.9 per parabordi rigidi1.0 per parabordi deformabili

Raggio di inerzia

Velocità di accosto V=0.10-0.20 m/sec

CONE FENDER

Energia

Reazione

Accorciamento

Condizioni di carico operative

CONDIZIONI DI CARICO OPERATIVE

NELLE BANCHINE PORTUALI

Stoccaggio Containers

Condizioni di carico oprqative

Costruzione di strutture off-shore

Varo di Strutture Off-Shore

Movimentazione con carrelli semoventi

Stoccaggio coils

Movimentazione e sollevamento

SCHEMI STATICI

Stoccaggio di carichi concentrati su aree limitate

-17.50

Carichi Localizzati - Sollevamenti

Trasporto di carichi su semoventi modulari

Varo con semoventi modulari

CASO DI STUDIO

LOAD OUT CRANE PRESSURE

330 KPa 330 KPa

LR 1750 Load out LR 11350

SHEET PILING

430 KPa 430 KPa

P=q ΔxΔy

Finite element mesh of the loading area

sheet piling wall

Pipe Load out - Cranes Pressure on the Wall

400 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Distance along the wall [m]

Max Pressure on the Sheet Piling Wall

LR 1735

LR 11350

PIPE LOAD OUT OPERATIONS LOAD OUT LATERAL PRESSURE ON THE WALL INDUCED BY CRANES

-17.50

-15.00

-12.50

-10.00

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Lateral Pressure [KPa]

-17.50

Μ = 80 α=0.80

γ = 19 KN/m3ϕ = 28° c'=0 KPa

Layer nr. 2

γ = 19 KN/m3ϕ = 30° c'=0 KPa

Μ = 200 α=0.50

Load-out Equivalente Load

Layer nr. 1

d=10.00 m

Plane Strain Model

b=11.40 m

p= 60 KPa

Modello Piano – Sovraccarico Equivalente

[ ])2cos(sin2 βαααπ

σ +−⋅=p

PIPE LOAD OUT OPERATIONS LATERAL PRESSURE ON THE WALL INDUCED BY CRANES

-17.50

-15.00

-12.50

-10.00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Lateral Pressure [KPa]

Load Out Horizontal Pressures on theWall

Plane Model P=60 KPa B=11.40 m d=10.00 m

Μ = 80 α=0.80

ϕ = 28° c'=0 KPa

Layer nr. 2

γ = 19 KN/m3

Μ = 200 α=0.50

ϕ = 30° c'=0 KPaγ = 19 KN/m3

Layer nr. 1

+0.00+0.50

q= 40 KPa

-17.50

Μ = 80 α=0.80

γ = 19 KN/m3ϕ = 28° c'=0 KPa

Layer nr. 2

γ = 19 KN/m3ϕ = 30° c'=0 KPa

Μ = 200 α=0.50

Layer nr. 1

d=10.00 m b=11.40 m

p= 60 KPa

PIPE LOAD OUT - BENDING MOMENTS

-900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Bending Moments [KNm/m]

Load Out Cranes

Design Load 40 KPa

VIBROFLOTTAZIONE BANCHINA SAIPEM-COLACEM

1) Miglioramento della resistenza del terreno di sedime nella zona di ancoraggio dei tiranti

2) Riduzione del rischio di liquefazione dellesabbie in adeguamento normativa sismica

Case History

Case Historiy

Case History

RESISTENZE PENETROMICHE ANTE E POST OPERAM

Ante operam Post operam

Case History

Comportamento dilatante

Comportamentocontraente

Terreno addensato con la vibroflottazione(sovra pressioni negative)

Terreno naturale in sito poco addensato(sovra pressioni positive)

Case History

Valutazione dell’indice di liquefazione dopo la vibro flottazione – CPTU 6

Case History

SISMICA A RIFRAZIONE

Case History

δt = allungamento totale misurato del tirante

δa = allungamento della parte attiva del tirante = δt - FLp/EA

TIRANTI

Case History

* rottura del tirante

Case History

Curva Carichi- Allungamenti Tirante di prova nr. 1

Case History

CONCLUSIONI

VALIDAZIONE E SPERIMENTAZIONE

Piero Pozzati. “ Teoria e Tecnica delle Strutture “ ,Vol. 1,Cap. III – “Azioni dovute al terreno “ - Ed. UTET - Torino

CONCLUSIONI

L’INGEGNERIA STRUTTURALE E’ STATA DEFINITA CON UN NOTEVOLE GRADO DI

PRECISIONE COME:

“L’ARTE DI FORMARE CON DEI MATERIALI, CHE NELLA REALTA’ NON SI CONOSCONO,

DELLE FORME, CHE NELLA REALTA’NON SI POSSONO ANALIZZARE,

PER RESISTERE A DELLE FORZE, CHE NELLA REALTA’ NON SI SANNO PREVEDERE,

IN MODO TALE CHE LA GENTE NON POSSA, NELLA REALTA’, SOSPETTARLO.”

VALIDAZIONE E SPERIMENTAZIONE

CONCLUSIONI

Finchè c’è τ ……c’è speranza!

RINGRAZIAMENTI

ING. PAOLA CAMPANA

ING. NICOLETTA CAPUCCI

ING. LUCIA DE ANGELIS

ING. ANNA FABBRI

ING. SARA MARTINI

ING. ROBERTA OSTI

DOTT.SSA ROBERTA ZAMBRINI

www.acmar.it

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