Controllo dei livelli di deformazione e sollecitazione nelle fondazioni profondeG. Porco*, G. Zaccaria***, D. Romano**, M. Condino**

* Facoltà di Ingegneria, Università della Calabria, Arcavacata di Rende (Cosenza)

** SISMlab s.r.l., Spin-Off Università della Calabria, www.sismlab.it

*** New Tech s.r.l. , C.da Lecco - 87036 Rende (CS)

G. Zaccaria – newtechsrl@email.it – Tel. e Fax 0984 447093

Key Words: Structural Monitoring; Fiber Optic Sensors; Deformation Measures.

Parole chiave: Monitoraggio strutturale; Sensori a fibra ottica; Misure di deformazione.

SOMMARIO

La valutazione dell’efficienza statica delle fondazioni profonde, di strutture esistenti e di nuova costruzione risulta ancora oggi estremamente complessa.

Infatti le metodologie di calcolo non consentono approcci raffinati di valutazione del regime di sforzo lungo il fusto e producono dei valori limiti di portanza come effetto somma tra la portanza alla punta e quella lungo la superficie laterale.

Tuttavia è noto che il comportamento di tali elementi strutturali a contatto con il terreno risulta fortemente non lineare con contributi laterali ed alla punta che si attivano in tempi diversi.

E’ in tale campo, che si inserisce la presente nota, la quale illustra una metodologia sperimentale basata sull’uso di sensori a fibra ottica, che vuole offrire un contributo al controllo del regime di sollecitazione sui pali di fondazione. Inoltre il metodo proposto consentirà di valutare la evoluzione nel tempo della portanza alla punta e laterale al crescere dei carichi trasmessi dalla sovrastruttura.

La metodologia proposta è stata implementata su casi reali di studio in particolare verranno presentati i risultati relativi ad un edificio in c.a. per civile abitazione e ad una spalla da ponte.

1. INTRODUZIONE

La mancanza di metodologie raffinate di calcolo delle fondazioni profonde è dovuta essenzialmente alla complessità del fenomeno relativa all’interazione palo-terreno che risulta non lineare, dipendente da notevoli fattori e dalla indisponibilità di dati sperimentali su casi reali di studio. In via inversa, infatti, sarebbe possibile risalire all’effettiva distribuzione del contributo alla punta e quella laterale disponendo di misure di sforzo normale in più sezioni lungo il fusto del palo. Infatti con semplici considerazioni di equilibrio potrebbe essere disponibile, al crescere di carichi, quali frazione vengono assorbite per attrito laterale e quali vengono assorbite dalla punta del palo.

Le misure di sforzo normale possono essere assicurate dalle misure di deformazione attraverso il legame costitutivo acquisendo le deformazioni attraverso un sistema di rilevazione a fibra ottica [1].

Il presente lavoro fornisce un primo approccio metodologico per la misura di sforzo sui pali di fondazione, che dovrà successivamente, essere ampliato, consentendo l’acquisizione in diverse sezioni lungo il fusto.

La metodologia sperimentale riportata nella presente nota consente di validare l’approccio sperimentale attraverso misure di deformazione in un solo punto, dimostrando che i dati sperimentali risultano molto prossimi a quelli teorici e pertanto attestano l’estendibilità dell’approccio per valutare le variazioni di sforzo lungo l’asse della fondazione profonda.

In particolare, la campagna sperimentale presentata è relativa a due casi di studio, dove verrà mostrata l’efficacia del sistema di controllo dei livelli di deformazione sui pali di fondazione di una struttura in cemento armato per civile abitazione e su un ponte in c.a.p.

2. Tecniche di controllo del regime di deformazione per pali di fondazione

La misura del regime di deformazione sui pali per valutare attraverso il legame costitutivo lo stato di tensione e/o la sollecitazione presente può essere effettuata attraverso dei sensori a fibra ottica. Il sensore a fibra ottica viene collocato direttamente sulle barre di armatura permettendo di seguire fin dalle fasi di getto l’evoluzione del livello di deformazione [2].

La perfetta aderenza tra barra e calcestruzzo, unitamente alla verificata conservazione delle sezioni piane della struttura in cemento armato, permette di stimare, sempre attraverso il legame costitutivo, oltre alla tensione sull’acciaio anche la tensione sul calcestruzzo.

Nei pali di fondazione la disposizione dei sensori dovrebbe interessare più punti lungo l’asse nonché posizioni contrapposte nell’ambito della stessa sezione quando il regime di sollecitazione è composto oltre che da sforzo normale anche da momento flettente.

Nella presente nota, che rappresenta come già detto un primo passo per la proposta di una metodologia sperimentale finalizzata al controllo delle deformazioni sulle fondazioni profonde, la sperimentazione è stata ristretta, per verificarne l’affidabilità, alle misure di deformazione di un solo punto della sezione dei pali. Scelto quest’ultimo in modo da essere sufficientemente lontano dalle aree con regime di sollecitazione composta e tale comunque da essere rappresentativo per la lettura dello sforzo normale trasmesso dalla sovrastruttura alla fondazione profonda.

3. Campagna Sperimentale

La campagna sperimentale illustrata è relativa alle misure di deformazione durante la costruzione di un cavalcavia nel Comune di Figline Vegliaturo (CS) e durante la costruzione di un edifico residenziale, denominato Skyline, in Via Panebianco a Cosenza.

2

3.1 Sistema di monitoraggio relativo al cavalcavia

L’opera in oggetto è stata realizzata nel Comune di Figline Vegliaturo. Il ponte è stato realizzato ad un'unica campata ed è costituito da un sistema portante sostenuto dalle spalle di estremità con muri andatori di contenimento. La distanza netta tra i fusti delle spalle è di 20,20 m. Sul sistema portante principale sono posizionate 7 travi in c.a.p. poste ad interasse di 1,40 m. Le travi presentano una lunghezza di 22,00 m, con luce di calcolo netta di 21,00 m.

La struttura in oggetto è stata dotata di un sistema di monitoraggio a fibra ottica residente. In particolare gli elementi strumentati sono i pali relativi alla sola spalla di monte, essendo il ponte essenzialmente simmetrico. Complessivamente sono stati installati 4 sensori a fibra ottica su due pali di fondazione (Figura 1).

Figura 1- Pali StrumentatiSono stati scelti i pali direttamente ubicati sotto il fusto ed in posizione centrale.

Inoltre i due sensori, installati a 5,00 m dal piano campagna, sono stati dislocati in posizione contrapposta in modo da garantire il rilievo, se presenti, di eventuali effetti legati al momento flettente (Figura 2).

d e l p a l o d i f o n d a z i o n e ti p o

F I B R A O T T I C AS E N S O R I A

S E N S O R I AF I B R A O T T I C A

A r m a t u r a

3

Figura 2 - Disposizione sensori nei pali Foto 1 - Varo dell’armatura

Vengono di seguito riportati, per brevità, i grafici relativi alle deformazioni di un solo palo [Palo A] durante le fasi realizzative (Figura 3 e 4).

Deformazione -Tempo [Palo A SN:6462 ]

Ponte ultimato. Fase precedente alla prova di carico

ponte ultimato

Varo Travi

Piastra Fond. Realizzata

-0,00026

-0,00024

-0,00022

-0,0002

-0,00018

-0,00016

-0,00014

-0,00012

-0,0001

-0,00008

-0,00006

-0,00004

-0,00002

0

19

.11

.20

07

19

.12

.20

07

18

.01

.20

08

17

.02

.20

08

18

.03

.20

08

17

.04

.20

08

17

.05

.20

08

16

.06

.20

08

16

.07

.20

08

15

.08

.20

08

14

.09

.20

08

14

.10

.20

08

13

.11

.20

08

13

.12

.20

08

12

.01

.20

09

11

.02

.20

09

13

.03

.20

09

Date delle Letture

Def

orm

azio

ne

Figura 3 - Evoluzione dello stato deformativo durante le fasi realizzative[Palo A SN 6462]

Deformazione -Tempo [Palo A SN:6465]Piastra Fond. Realizzata

Varo Travi

ponte ultimato

Ponte ultimato. Fase precedente alla prova di carico

-0,00024

-0,00022

-0,0002

-0,00018

-0,00016

-0,00014

-0,00012

-0,0001

-0,00008

-0,00006

-0,00004

-0,00002

0

19

.11

.20

07

19

.12.

20

07

18

.01.

20

08

17

.02.

20

08

18

.03.

20

08

17

.04.

20

08

17

.05.

20

08

16

.06.

20

08

16

.07.

20

08

15

.08.

20

08

14

.09.

20

08

14

.10.

20

08

13

.11

.20

08

13

.12.

20

08

12

.01.

20

09

11

.02

.20

09

13

.03.

20

09

Date delle Letture

De

form

azio

ne

Figura 4 - Evoluzione dello stato deformativo durante le fasi realizzative[Palo A SN 6465]

I grafici di figura 3 e 4 mostrano, l’andamento delle deformazioni sperimentali rilevate tramite i sensori ottici al varo delle travi, a ponte ultimato e alla fase precedente della prova di carico. Tali deformazioni, relative alle barre di armatura e riferite alla realizzazione della piastra di fondazione, aumentano man mano che la struttura viene caricata e quindi completata.

4

Le misure di deformazione sono state eseguite anche in occasione della prova di collaudo e in particolare in corrispondenza di due condizioni di carico. Per la prima condizione di carico la disposizione degli automezzi è la seguente (Figura 5) per un carico totale pari a 80180 Kg:

50

98

5

96

0

murimuriandatori

B B

AA rompitratta

spalla spalla

piastra di

fondazione fondazione

piastra di

98

5

14

01

40

14

0

6011740601

2100

50525525525525

CV 580 AS DM 324 YD

Figura 5 - Disposizione dei carichi - Prima condizione

Per la seconda condizione di carico la disposizione degli automezzi è la seguente (Figura 6) per un carico totale pari a 160540 Kg:

50

98

5

96

0

murimuriandatori

B B

AA rompitratta

spalla spalla

piastra di

fondazione fondazione

piastra di

98

5

6011740601

2100

50525525525525

CV 580 AS DM 324 YD

CS 546577 CD O61 VF

Figura 6: Disposizione dei carichi - Seconda condizione

I grafici di figura 7 e 8 mostrano, nella fase di collaudo del cavalcavia, l’andamento crescente e poi decrescente delle deformazioni sperimentali le quali evidenziano il comportamento lineare del materiale. Le misure, rapportate ad un valore di zero rilevato prima dell’esecuzione della prova di carico, sono state eseguite per le due fasi predisposte e fino alla stabilizzazione dei valori.Le deformazioni rilevate validano la metodologia sperimentale in quanto, i valori generati dalle due condizioni di carico noto, sono quelli attesi.

5

Legame - Deformazione-Tempo [ Palo A SN 6462 ]

Ponte Scarico

IIa Condizione di Carico

Ponte Scarico

Ia Condizione di Carico

-0,000004

-0,000003

-0,000002

-0,000001

0

0,000001

0,000002

08:

35

09

:03

09

:32

10

:01

10

:30

10

:59

11

:27

11

:56

12

:25

12

:54

13

:23

Ora di rilevazione

De

form

azio

ne

Figura 7 - Evoluzione dello stato deformativo durante la fase di collaudo [Palo A SN 6462]

Legame - Deformazione -Tempo [ Palo A SN 6465 ]

Ponte Scarico

IIa Condizione di Carico

Ponte Scarico

Ia Condizione di Carico

-0,000005

-0,000004

-0,000003

-0,000002

-0,000001

0

0,000001

0,000002

0,000003

0,000004

08:3

5

09:0

3

09:3

2

10:0

1

10:3

0

10

:59

11

:27

11

:56

12:2

5

12:5

4

13:2

3

Ora di rilevazione

De

form

azio

ne

Figura 8 - Evoluzione dello stato deformativo durante la fase di collaudo[Palo A SN 6465]

3.2 Sistema di monitoraggio Edificio “Skyline”

Si tratta di un edificio “a torre” di nuova realizzazione di altezza pari ad 80 m realizzato con struttura intelaiata in c.a. e localizzato in un area posta al limite nord dell’insediamento urbano di Cosenza in Via Panebianco.

L’edificio presenta 23 piani fuori terra (Figura 10), oltre ad uno completamente interrato. Gli scarichi prodotti dalla sovrastruttura sono distribuiti su una palificata solidarizzata da una piastra di fondazione. Nella presente nota verranno discussi i dati relativi allo stato deformativo indotto sui pali di fondazione n. 5 e n. 13A (Figura 9). La lunghezza dei pali di fondazione (∅ 100 cm) è pari a 25 m, di cui 22 m risultano infissi all’interno del terreno ed i restanti 3m rappresentano l’ancoraggio all’interno della trave di fondazione (Figura 11). Per brevità di esposizione, verranno illustrati i risultati sperimentali relativi a due pali, mostrando gli incrementi di sforzo registrati a seguito della

6

realizzazione dei solai partendo dall’ XI impalcato fino al XVII. La variazione di tensione sull’acciaio è stata valutata prendendo il valore di zero a fondazione realizzata.

La metodologia è stata validata oggettivamente confrontando i dati sperimentali con i teorici ottenuti effettuando un calcolo numerico con un codice agli elementi finiti.

Figura 9 - Pianta Fondazione – Individuazione dei pali Strumentati

Figura 10 – Sezione trasversale Edificio “Skyline” Figura 11 – Sezione palo tipo monitorato

7

PALO 5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

L11 L12 L13 L14 L15 L16 L17

FASE DI REALIZZAZIONE

∆σ

/∆σ

max

spe

rim

enta

le

PALO 5 -Misure sperimentali Palo 5 - Valori teorici

∆max=22%

Figura 12 – Palo 5 incrementi di tensione adimensionalizzati teorici e sperimentali nelle varie fasi costruttive

PALO 13A

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

L11 L12 L13 L14 L15 L16 L17

FASE DI REALIZZAZIONE

∆σ

/∆σ

max

spe

rim

enta

le

PALO 13A -Misure sperimentali Palo 13A - Valori teorici

∆max=36%

Figura 13 - Palo 13A incrementi di tensione adimensionalizzati teorici e sperimentali nelle varie fasi costruttive

Nelle figure 12 e 13 sono riportati in forma adimensionalizzata gli incrementi di tensione sui pali 5 e 13A registrati con le misure di deformazione e quelli previsti numericamente.Complessivamente per entrambi i pali si apprezza una discreta concordanza dei valori con scostamenti che al più raggiungono variazioni del 22% per il palo 5 e del 36% per il palo 13A. Per quest’ultimo si è registrato una maggiore differenza in quanto, rispetto al palo 5, è influenzato sia dalla posizione geometrica sia dall’interazione con le strutture di fondazione.

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4. Conclusioni

Dalle indagini sperimentali effettuate, si evince come la metodologia proposta, basata sull’uso dei sensori a fibra ottica, risulta utile in quanto è un sistema residente in grado di poter determinare il regime di deformazione presente durante la realizzazione, la fase di collaudo, di esercizio e a valle di eventi estremi quale il sisma.

Inoltre, l’applicazione di più sensori all’interno del singolo palo offre la possibilità di verificare come lo stesso sia staticamente impegnato fornendo quindi importanti informazioni sul contributo sia laterale che alla punta del palo medesimo.

La sperimentazione presentata pone le basi per sviluppi futuri di studio al fine di ottenere, strumentando diverse tipologie di pali in diversi tipi di terreni, dati utili per sviluppare modelli di calcolo più aderenti al comportamento reale dei pali di fondazione.

BIBLIOGRAFIA

[1] Raymond M. Measures, Structural monitoring with fiber optic technology, Academic Press, 2001.

[2] G. Porco, G. Zaccaria, Tecniche di controllo NDT su strutture in c.a. sottoposte a cicli di danneggiamento, 12° Congresso AIPnD, Milano, Ottobre 2007.

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