06D-Diffusione Delle Tensioni

Capitolo 6 DIFFUSIONE DELLE TENSIONI

Dipartimento di Ingegneria Civile Sezione Geotecnica, Universit degli Studi di Firenze J. Facciorusso, C. Madiai, G. Vannucchi Dispense di Geotecnica (Rev. Settembre 2006)

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CAPITOLO 6 PRESSIONI DI CONTATTO E DIFFUSIONE DELLE TENSIONI

IN UN SEMISPAZIO ELASTICO

6.1 Pressioni di contatto Una fondazione superficiale trasmette al terreno il carico proveniente dalla struttura in e-levazione. Le pressioni mutue allintradosso della fondazione sono dette pressioni di contatto. La distribuzione delle pressioni di contatto dipende dallentit e distribuzione del carico allestradosso della fondazione, dalla rigidezza della struttura di fondazione e dalla rigidezza del terreno di fondazione. In Figura 6.1 sono qualitativamente rappresentati gli effetti della rigidezza della struttura di fondazione e della rigidezza del terreno di appoggio sulla distribuzione della pressione di contatto per fondazioni soggette ad un carico uniforme.

a) fondazioni flessibili

b) fondazioni rigide

c) fondazioni semi-rigide

schema

su argilla

su sabbia

p

p p

p

p

p

p

p

p

p

p

min

m in

min

min

max

max

min

minmax

min

W

qq

q q

WW

W

W

WWW

max

max

max

max

max

W

q

q

q

W

Figura 6.1: Pressioni di contatto e cedimenti per fondazioni superficiali su terreno omogeneo soggette a carico verticale uniforme

Se la fondazione priva di rigidezza, ovvero non resistente a flessione, la distribuzione delle pressioni di contatto necessariamente eguale alla distribuzione del carico applica-to, e la sua deformata si adatta ai cedimenti del terreno. Se il terreno di appoggio ha egua-le rigidezza sotto ogni punto della fondazione (argilla), il cedimento massimo in mezze-ria e minimo al bordo, ovvero la deformata ha concavit verso lalto. Se invece il terreno di appoggio ha rigidezza crescente con la pressione di confinamento (sabbia), il cedimen-to minimo in mezzeria e massimo al bordo, ovvero la deformata ha concavit verso il basso (Figura 6.1a). Lo schema di fondazione priva di rigidezza si applica, ad esempio, alle fondazioni dei rilevati. Se la fondazione ha rigidezza infinita, ovvero indeformabile e di infinita resistenza a flessione, per effetto di un carico a risultante verticale centrata, subisce una traslazione verticale rigida (cedimenti uniformi). La distribuzione delle pressioni di contatto sim-



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metrica per equilibrio e dipende dalla rigidezza del terreno di appoggio. Se il terreno di appoggio ha eguale rigidezza sotto ogni punto della fondazione (argilla), le pressioni di contatto sono massime al bordo e minime in mezzeria. Viceversa se terreno di appoggio ha rigidezza crescente con la pressione di confinamento (sabbia), le pressioni di contatto sono massime al centro e minime al bordo (Figura 6.1b). Lo schema di fondazione infini-tamente rigida si applica, ad esempio, a plinti in calcestruzzo, alti e poco armati. Se la fondazione ha rigidezza finita, il suo comportamento intermedio fra i due soprade-scritti, ovvero ha una deformata curvilinea ma meno pronunciata di quella della fondazio-ne priva di rigidezza, con concavit verso lalto o verso il basso a seconda del tipo di ter-reno di appoggio (Figura 6.1c). Lo schema di fondazione di rigidezza finita si applica, ad esempio, alle platee di fondazione. Se il carico proveniente dalla struttura in elevazione (e applicato allestradosso della strut-tura di fondazione) non uniforme ma ha comunque risultante verticale centrata, la di-stribuzione delle pressioni di contatto : - per fondazioni flessibili, eguale alla distribuzione del carico applicato, - per fondazioni di rigidezza infinita, eguale alla distribuzione per carico uniforme di

pari risultante, - per fondazioni di rigidezza finita, intermedia ai due casi precedenti1.

6.2 Diffusione delle tensioni nel terreno La realizzazione di unopera di ingegneria geotecnica produce unalterazione dello stato di tensione naturale nel terreno, e quindi deformazioni e cedimenti. Per stimare i cedimenti necessario conoscere: a) lo stato tensionale iniziale nel sottosuo-lo, b) lincremento delle tensioni prodotto dalla realizzazione dellopera, e c) la relazione fra incrementi di tensione e incrementi di deformazione (legge costitutiva). Lo stato tensionale iniziale nel sottosuolo corrisponde alle tensioni geostatiche, di cui ab-biamo discusso nel Capitolo 3 . Per la stima, approssimata, dellincremento delle tensioni verticali nel sottosuolo, da cui principalmente dipendono i cedimenti in superficie, si fa spesso riferimento al modello di semispazio omogeneo, isotropo, elastico lineare e senza peso che, pur avendo un compor-tamento per molti aspetti diverso da quello dei terreni reali, fornisce soluzioni sufficien-temente accurate ai fini progettuali. In particolare, le principali differenze tra il modello del continuo elastico e i terreni reali, sono: 1. raramente i depositi di terreno reale sono costituiti da un unico strato di grande spes-

sore, pi spesso sono stratificati, e ogni strato ha differente rigidezza, e/o presente un substrato roccioso (bedrock) di rigidezza molto superiore a quella degli strati so-vrastanti2;

2. anche nel caso di terreno omogeneo, la rigidezza dei terreni reali non costante ma cresce con la profondit3;

1 Ai soli fini del calcolo strutturale delle fondazioni, per la stima della distribuzione delle pressioni di con-tatto, si fa spesso riferimento al modello di Winkler, argomento che esula dal presente corso. 2 Esistono soluzioni elastiche che considerano il terreno stratificato e/o il bedrock. La presenza di un be-drock porta a valori della tensione verticale indotta superiori a quelli del semispazio omogeneo. 3 Esistono soluzioni elastiche che considerano il modulo di Young linearmente crescente con la profondit. Tali soluzioni portano a valori della tensione verticale indotta superiori a quelli del semispazio omogeneo.



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3. i terreni reali non sono isotropi. Il rapporto tra i moduli di deformazione in direzione verticale ed orizzontale, Ev/Eh, di norma maggiore di uno per terreni normalmente consolidati e debolmente sovraconsolidati, mentre minore di uno per terreni forte-mente sovraconsolidati;

4. lipotesi di elasticit lineare pu essere accolta solo per argille sovraconsolidate e sab-bie addensate limitatamente a valori molto bassi di tensione, ma non accettabile per tutti gli altri casi4.

La non corrispondenza fra le ipotesi del modello e la realt fisica, porta a risultati gene-ralmente inaccettabili in termini di deformazioni calcolate, ma accettabili limitatamente alla stima delle tensioni verticali. Pertanto, con una procedura teoricamente non corretta ma praticamente efficace e molto comune in ingegneria geotecnica, si utilizzano modelli diversi (leggi costitutive diverse) per risolvere aspetti diversi dello stesso problema. Ad esempio, per una stessa fondazione superficiale, si utilizza il modello rigido-perfettamente plastico per il calcolo della capacit portante, il modello continuo elastico lineare per la stima delle tensioni verticali indotte in condizioni di esercizio, il modello edometrico per il calcolo dei cedimenti e del decorso dei cedimenti nel tempo, il modello di Winkler per il calcolo delle sollecitazioni nella struttura di fondazione, etc...

6.2.1 Tensioni indotte da un carico verticale concentrato in superficie (problema di Boussinesq)

Il matematico francese Boussinesq, nel 1885, forn la soluzione analitica del problema capostipite di tutte le successive soluzioni elastiche: tensioni e deformazioni indotte da una forza applicata ortogonalmente sulla su-perficie di un semispazio ideale, continuo, omogeneo, isotropo, elastico lineare e privo di peso. Con riferimento allo schema di Figura 6.2 le tensioni indotte in un generico punto di tale semispazio, valgo-no (in coordinate cilindriche)5:

dove R2 = r2+z2

4 Per carichi concentrati lipotesi di elasticit lineare conduce a valori infiniti della tensione in corrispon-denza del carico. Non esiste un materiale reale capace di resistere a tensioni infinite. (E daltra parte anche i carichi concentrati sono solo unastrazione matematica). 5 Con riferimento ad un caso reale, quindi ad un terreno dotato di peso, le tensioni ottenute dalla soluzione di Boussinesq (e per i casi di seguito considerati) vanno sommate alle tensioni geostatiche preesistenti.

5

3

z Rz

2P3

= Eq. (6.1)( )

( )

+

+= zRR21

Rzr3

R2P

3

2

2r Eq.(6.2)

( )( )

+= zR

RRz

R2P21

2 Eq. (6.3)

5

2

rz Rrz

2P3

= Eq. (6.4)

r

P

R

r

z

z

Figura 6.2: Carico concentrato, problema di Boussinesq



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Si osservi che lEq. 6.1, che permette di calcolare la tensione verticale indotta, non con-tiene il coefficiente di Poisson, . La distribuzione delle tensioni verticali su un piano orizzontale alla profondit z dal p.c. una superficie di rivoluzione avente forma di una campana, simile alla curva gaussiana, il cui volume pari al carico applicato in superficie. Al crescere di z la campana sempre pi estesa e schiacciata. A profondit z=0, la campana degenera in una tensione infinita su unarea infinitesima, ovvero nel carico applicato P. A titolo di esempio in Figura 6.3 sono rappresentate le distribuzioni di tensione verticale indotte da un carico concentrato P=100kN alle profondit z = 2m, 5m e 10m. La distribuzione delle tensioni verticali al variare della profondit z per un assegnato va-lore della distanza orizzontale r dallasse di applicazione della forza P, indicata in Figu-ra 6.4. Per r=0, ovvero in corrispondenza del carico applicato, la tensione a profondit z=0 infinita per poi decrescere monotonicamente al crescere di z. Per r>0, la pressione verticale vale 0 alla profondit z=0, poi cresce con z fino ad un valore massimo per poi decrescere tendendo al valore zero. A titolo di esempio in Figura 6.4 sono rappresentate le distribuzioni di tensione verticale indotte da un carico concentrato P = 100kN alle distan-ze r = 0m, 2m e 5m.

0

4

8

12

-10 -5 0 5 10

r (m)

z (k

Pa)

Z = 2m

Z = 5m

Z = 10m

0

5

10

15

20

0 1 2 3 4 5z (kPa)

z (m

)

r = 0mr = 2mr = 5m

Figura 6.3 - Distribuzioni di tensione verticale indotte in un semispazio alla Boussinesq da un carico P=100kN alle profondit z = 2m, 5m e 10m

Figura 6.4 - Distribuzioni di tensione vertica-le indotte in un semispazio alla Boussinesq da un carico P = 100kN alle distanze r = 0m, 2m e 5m

Poich per lipotesi di elasticit lineare valido il principio di sovrapposizione degli effet-ti, la soluzione di Boussinesq stata integrata per ottenere le soluzioni elastiche relative a differenti condizioni di carico applicato in superficie. Le pi frequentemente usate nella pratica professionale sono le seguenti.

6.2.2 Tensioni indotte da un carico verticale distribuito su una linea retta in superficie Con riferimento allo schema di Figura 6.5, le tensioni indotte da un carico verticale distri-buito su una linea retta in superficie sono fornite dalle equazioni (6.5), (6.6), (6.7) e (6.8) (in coordinate cartesiane ed assumendo lasse y orientato secondo la direzione della linea di carico):



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dove P il carico per unit di lunghezza, e R2 = x2+z2. 6

6.2.3 Tensioni indotte da una pressione vertica-le uniforme su una striscia indefinita

Con riferimento allo schema di Figura 6.6, le ten-sioni indotte da una pressione verticale uniforme su una striscia indefinita sono fornite dalle equa-zioni (6.9), (6.10), (6.11) e (6.12) (in coordinate cartesiane ed assumendo lasse y orientato secon-do la direzione della striscia di carico).

( )[ ]++= 2cossenq

z (Eq. 6.9)

( )[ ]+= 2cossenq

x (Eq. 6.10)

= q2y (Eq. 6.11)

( ) += 2sensenq

xy (Eq. 6.12)

dove q il carico per unit di superficie, e sono espressi in radianti, negativo per punti sotto larea caricata.

6.2.4 Tensioni indotte da una pressione verti-cale triangolare una striscia indefinita

Con riferimento allo schema di Figura 6.7, le tensioni indotte da una pressione verticale trian-golare su una striscia indefinita sono fornite dalle equazioni (6.13), (6.14) e (6.15) (in coordinate

cartesiane ed assumendo lasse y orientato secondo la direzione della striscia di carico):

6 Si osservi come le tensioni, per evidenti ragioni di simmetria, siano indipendenti da y.

x

x

z

z

R

x

y

z

P

Figura 6.5 - Carico distribuito su una linea retta

4

3

z Rz'P2 = (Eq. 6.5)

4

2

x Rxz'P2 = (Eq. 6.6)

2y Rz'P2 = (Eq. 6.7)

4

2

xy Rzx'P2 = (Eq. 6.8)

q

x

x

y

z

B

z

Figura 6.6: Pressione uniforme su stri-scia indefinita



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2a'

2a x

z

q

Figura 6.8: Pressione trapezia su striscia indefinita

dove q il valore massimo del ca-rico per unit di superficie, e sono espressi in radianti, nega-tivo per punti sotto larea caricata.

6.2.5 Tensione verticale indotta da una pressione verticale trapezia su una striscia in-definita

Il caso della pressione verticale tra-pezia, di uso molto frequente poi-ch corrisponde al carico trasmesso da rilevati stradali, pu essere risol-to per sovrapposizione di effetti uti-lizzando le equazioni delle strisce di carico rettangolare e triangolare. Se interessa conoscere la tensione verticale in asse al rilevato, con ri-ferimento allo schema ed ai simboli di Figura 6.8, pu essere utilizzata, pi semplicemente, la seguente equazione:

( ) ( )

= = z

'aarctan'azaarctana

'aaq2

0xz Eq. (6.16)

= 2sen21

Bxq

z (Eq. 6.13)

+

= 2sen2

1RRln

Bz

Bxq

22

21

x (Eq. 6.14)

+= Bz22cos1

2q

xz (Eq. 6.15)

q

x

x

y

z

z

R

R

2

1

B

Figura 6.7 - Pressione triangolare su striscia indefinita



88

6.2.6 Tensione verticale indotta da una pressione uniforme su una superficie circolare Con riferimento allo schema di carico di Figura 6.9, le tensioni verticali indotte in asse allarea caricata possono essere calcolate con la seguente equazione:

( )

+

== 320rz

zR1

11q (Eq. 6.17)

mentre per la stima il delle tensioni indotte in corrispondenza di altre verticali si pu fare riferimento alla Tabella 6.1 ed alle curve rappresentate in Figura 6.10.

Osservando la Figura 6.10 si pu notare che alla profondit z = 0 in corrispondenza delle verticali interne allarea caricata (r < R)la pressione di contatto pari alla pressione q agente sullarea cir-colare (fondazione flessibile), in corrispondenza delle verticali e-sterne (r > R) la pressione di con-tatto zero, e che in corrispon-denza delle verticali sul bordo (r = R) la pressione di contatto pari alla met della pres-sione q.

6.2.7 Tensioni indotte da una pressione uniforme su una superficie rettangolare La soluzione relativa al caso di unarea rettangolare uniformemente caricata molto im-portante, non solo perch molte fondazioni hanno forma rettangolare, ma anche perch, sfruttando il principio di sovrapposizione degli effetti, permette di calcolare lo stato ten-sionale indotto da una pressione uniforme agente su unarea scomponibile in rettangoli. Con riferimento allo schema di Figura 6.11, le tensioni indotte dal carico in un punto sulla verticale per uno spigolo O dellarea caricata, posto:

2R

q

z

r

Figura 6.9 - Pressione uniforme su area circolare

0

1

2

3

4

5

0 0,25 0,5 0,75 1

z/qz/

R

r/R=0

r/R=0,5

r/R=1

r/R=2

Figura 6.10 - Variazione della tensione verticale indotta da una pressione su area circolare per differenti verticali



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Tabella 6.1: Variazione della tensione verticale indotta da una pressione su area circolare per differenti verticali (dati relativi alla Figura 6.10)

( )( )( ) 5,02223

5,0222

5,0221

zBLR

zBR

zLR

++=+=

+=

valgono:

++

= 222133z R

1R1

RzBL

RzBLarctan

2q Eq. (6.18)

= 3213x RR

zBLRzBLarctan

2q Eq. (6.19)

= 3223y RR

zBLRzBLarctan

2q Eq. (6.20)

= 321

2

2zx RR

zBRB

2q Eq. (6.21)

r/R 0 0,5 1 2 z/R z / q

0 1,000 1,000 0,500 0,0000,1 0,999 0,995 0,481 0,0000,2 0,992 0,977 0,464 0,0010,3 0,976 0,941 0,447 0,0030,4 0,948 0,894 0,430 0,0060,5 0,910 0,840 0,412 0,0100,6 0,863 0,780 0,395 0,0160,7 0,811 0,718 0,378 0,0220,8 0,758 0,664 0,362 0,0280,9 0,700 0,612 0,346 0,0351 0,646 0,565 0,329 0,041

1,2 0,546 0,480 0,298 0,0521,4 0,461 0,408 0,268 0,0611,6 0,390 0,351 0,241 0,0671,8 0,332 0,303 0,217 0,0712 0,284 0,262 0,195 0,073

2,2 0,245 0,228 0,176 0,0732,4 0,213 0,201 0,158 0,0732,6 0,186 0,178 0,142 0,0712,8 0,164 0,158 0,131 0,0693 0,146 0,141 0,119 0,0674 0,086 0,082 0,077 0,0525 0,057 0,054 0,052 0,041

q

x

z

y

L

B

B

x

y

z

R

RR

1

23

x

z

Figura 6.11- Pressione uniforme su unarea ret-tangolare



90

Volendo conoscere lo stato tensionale in un punto del semispazio alla profondit z, sulla verticale di un punto M non coincidente con lo spigolo O del rettangolo, si procede per sovrapposizione di effetti di aree di carico rettangolari, nel modo seguente (Figura 6.12): a) M interno ad ABCD; le tensioni risultano dalla somma delle tensioni indotte in M dalle

4 aree (1), (2), (3) e (4), ciascuna con vertice in M: )M'CC'D(zM)M'DD'B(zM)M'BB'A(zM)'MC'AA(zM)ABCD(zM +++= Eq. (6.22)

b) M esterno ad ABCD; le tensioni risultano dalla somma algebrica delle tensioni indotte

da rettangoli opportunamente scelti, sempre con vertice in M: )''MD'DD(zM)'MC'CD(zM)''MD'BB(zM)'MC'AB(zM)ABCD(zM += Eq. (6.23)

Pu essere talvolta utile valutare anche i cedimenti elastici. Lequazione per il calcolo del cedimento in corrispondenza dello spigolo O dellarea flessibile di carico uniforme q, di forma rettangolare BxL su un semispazio continuo, elastico lineare, omogeneo e isotropo, avente modulo di Young E, e coefficiente di Poisson , la seguente: posto = L/B

( ) ( )

+++++

=2

22 11

ln1lnE

1Bqw Eq. (6.24)

LEq. 6.24 permette di calcolare il cedimento elastico in qualunque punto della superficie, per sovrapposizione degli effetti, con procedura analoga a quella sopra descritta per il cal-colo delle tensioni verticali.

C D

A

M

B A

M

B B'

C D D'

C' D''

1

3 4

2

caso a) caso b)

Figura 6.12 - Esempi di sovrapposizione di aree di carico rettangolari

A

B

D

C

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