Criteri moderni per il progetto delle fondazioni su pali · delle fondazioni su pali Carlo Viggiani...
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Criteri moderni per il progetto delle fondazioni su pali
Carlo ViggianiUniversità di Napoli Federico II
Sfida dell’Ingegneria Geotecnica
Essere basata sul metodo scientifico
ma anche ancorata nella realtà fisica
che ne costituisce lo scenario
Rapporti fra Ingegneria e Scienza
Il progetto di una fondazione su palicomporta, fra l’altro:
Previsione del carico limite
Previsione del cedimento
Tipo di palo (Qlim/Wp)av COV(Qlim/Wp)PAT 12,1 (1)(1) 0,26CFA 37,5 ((∼∼3)3) 0,25PST 73,1 ((∼∼6)6) 0,08
20 prove di carico a rottura su pali pilota gettati in opera
•Trivellati (con tubazione di rivestimento, con fanghi bentonitici, a secco)(PAT, pali ad asportazione di terreno)•Trivellati ad elica continua (continuous flyght auger, CFA)• Infissi (Pali a spostamento di terreno, Franki)
d = 0,35-2,00 m; L = 9,5-42,0 m; L/d = 16-61
CENTRO DIREZIONALE DI NAPOLI
Cedimento delle fondazioni su paliMolto spesso trascurabile
• in presenza di stratificazioni profonde di terreni compressibiliImportante
• per fondazioni di grandi dimensioni
Metodi di analisi delle fondazioni su paliin condizioni di esercizio
• per prevederne i cedimenti (normativa)• per interazione terreno – struttura (progetto strutturale)• per esplorare strategie alternative: pali per il controllo dei cedimenti assoluti e differenziali
Charity Hospital, New Orleans
10.000 pali di legno
Pali di prova: Q = 30 t; w = 6 mm
Cedimento dell’edificio• Previsione ingenua 3 mm
• Previsione “scientifica”, conterreno omogeneo 80 mm
• Misurato, termine costruzione 40/100 mm
• Misurato, 2 anni dopo t.c. 120/150 mm
• Finale sconosciuto (edificiodemolito) > 500 mm
Fra gli ingegneri vi è ladiffusa convinzione
che prevedere il cedimentodi una fondazione su pali
sia molto più difficileche prevederne il carico limite
Illustri precedenti
Because of the wide variety of soil conditions encountered in practice,any attempt to establish rules for the design of piled foundations necessarily involves radical simplifications, and the rules themselves are useful only as a guide to judgement. For the same reason, theoretical refinements in dealing with pile problems, such as attemptsto compute by means of the theory of elasticity, are completely outof place and can safely be ignored
(Terzaghi, Peck, 1948)
(Terzaghi, Peck, 1966)
Because of the wide variety………….. theoretical refinements………are of questionable value.
(Terzaghi, Peck, Mesri, 1996)
Cooke, 1986
Ipotesi:• piastra rigida non a
contatto con il terreno• pali elastici e mutuamente
indipendenti
in
ii
yin
ii
xi y
y
Vex
x
VenVQ
∑∑==
++=
1
2
1
2
1w(palo)(gruppo) w
==sR
Things should be as simple as possible....
...but not simpler!
A. Einstein
pali pali
Superficie del terrenoProfili di cedimento
dei pali singoli
Profilo dicedimentodel gruppo
Interazionefra i pali diun gruppo
Cedimento del gruppomaggiore del cedimentodel palo singolo
Rs
n
Evidenza sperimentale• il cedimento aumenta al crescere del numero di pali
1 10 100 1.000 10.0001
10
100
Numero dei pali n
Ripartizione dei carichi fra pali e piastra;evidenza sperimentale
O O O
O O O
O O O
AgL
B
Pali spalmati sotto tuttala piastra:
Ag/A → 1
A = B•L = area della piastraAg = area occupata dai pali
Pali concentratial centro della piastra
Ag/A < 1
Solo 22 casi ragionevolmente documentati
Nello schizzo, Ag/A = 50%
0
20
40
60
80
100
0 3 6 9 12
s/d
raft
load
[%]
11 casi; Ag/A > 0.83
Evidenza sperimentale:la piastra trasmette direttamenteal terreno una percentuale noninsignificante del carico applicato
0
20
40
60
80
100
0 3 6 9 12
s/d
raft
load
[%]
22 casi; 0.55 < Ag/A < 0.91
0
20
40
60
80
100
3 6 9 12 15
(s/d) / (Ag/A)
raft
load
[%]
Evidenza sperimentale: la ripartizione dei carichi fra piastrae pali dipende anche dal modo con cui sono disposti i pali (Ag/A)
00.5
11.5
22.5
33.5
4
0 2 4 6 8 10s/d
ratio
of p
ile lo
ads
Edge/Center Corner/Center
Distribuzione del carico fra i pali; evidenza sperimentale
o o o o oo o o o oo o o o o
corner
edge
Evidenza sperimentale: La distribuzione del carico fra i pali non è uniforme; i pali periferici (spigolo, lato) sono più caricati
Metodi per la previsione dei cedimentidelle fondazioni su pali
• metodi empirici
• metodi delle equivalenze
• metodo delle curve di trasferimento
• metodi ad elementi di contorno
• metodi ad elementi finiti
QwIELQw ws 1==
L
d
sQi Qj ( ) ( )ijjiijjiiiii QQwQQww ααα +=+= 1,1
e, per n pali:
∑==
n
jijji Qww
11 α
Metodo dei coefficienti di interazione
Esempio di coefficienti di interazione
Confronto fraGruppalo ed altriprogrammi,elasticità lineare(Mandolini, 1994)
Considerazione della non linearità(Caputo, Viggiani, 1984)
αij = cost (i ≠ j)
lim1
1
QQjjii
−==αα
Non linearità concentrata all’interfaccia palo-terreno; curva carico-cedimento del palo singolo di forma iperbolica; procedimento incrementale
Dati sull’interazione fra pali; S. Giovanni a Teduccio(Pellegrino, 1959; Caputo, Viggiani, 1984)
Carico Q0
Ced
imen
to w
L
NL
LS
Palo singolo
Gruppo
wsL
wsNL
wsNL ⋅Rs wsL
Rs wsL + wsNL ⋅
Rs (wsL + wsNL ) ⋅
1.8m 5
1.5m
1.5m
9.10m
L =
9.15
m
Ep = 27,051MPa
Preforohp = 1.37 m
E2 = 1.06E1
4.1m
Plinto
2.40m
12.2m
14.50m
E3 = 0.55E1
E5 = 0.64E1
E4 = 0.73E1
1.50mRiporto
Sabbiadi dragaggio
Roccia
Alternanze di sabbiee argille dure
1.5m
E1
d = 0.273m
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 100 200 300 400 500
Carico (kN)
Ced
imen
to (m
m)
Carico (MN)0
Ced
imen
to (m
m)
0.5 1.0 1.5 2.0 2.50
5
10
15
20
25
30
35
40
L
NLLS
Misurati
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0.750.25 1.00 0.50
Ingrandimento
1 2 2A 3 4A
qc
qc
qc qc
PF 2MOS 1 MOS 9 PF 12PF 11 MOS 14MOS 16PF 7
10 20 30
qc (MN)
10 20
10 20
10 200 0 0 0 10 20 30
10 20 30qc (MN)
0 10 20 30
10 20 30
E1
Pile tiplevel
Sabbia più o meno limosa
Argille consistenti
Sabbie addensate
Argille
CPT prima dell'installazione
CPT dopo l'installazione
Sabbia argillosa
Argille di media consistenza
Riporto
Sabbie addensate
Argille consistenti
E8 = 66,7 E1 Sabbie molto addensate
2,09m
PF 4
MOS 6
PF 7PF 2
MOS 1
MOS 9
PF 11
PF 12
MOS 14Palo 85
Palo 585
misure di cedimenti
CPT prima dell'installazione
CPT dopo l'installazione
palo
85,1m
34,3
m
2,09
φ 8,36
13m
0,80
0,52
15,5
12172226
39
E2 = 33,3 E1
E3 = 20 E1
E5 = 3,7 E1
E4 = 26,7 E1
E6 = 14 E1
E7 = 8,7 E1
50
-5-10-15-20-25
-20-25
-5-10
-15
50
0 250 500 1000 1250 1500 1750 2000 22507500
1
2
3
4
5
6
7
Carico (kN)C
edim
ento
(mm
)
1300kNcarico medioPalo 585
Palo 85
0 20 40 60 800
100
300
200
400
500
Distanze lungo la piastra (m)
Ced
imen
ti (m
m)
Misurati
Poulos (1993)
L ≈ NL
LS
Cedimenti medi Cedimenti differenziali<
0.1
1
10
100
1000
0.1 1 10 100 1000
20%-20%
100%
-100% w
cal
cola
to (m
m)
L
a)
0.1
1
10
100
1000
0.1 1 10 100 1000
20%-20%
100%
-100%
δ ca
lcol
ato
(mm
)
L, NL
d)
0.1
1
10
100
1000
0.1 1 10 100 1000δ misurato
( )
20%-20%
100%
-100%
δ ca
lcol
ato
(mm
)
LS
e)
0.1
1
10
100
1000
0.1 1 10 100 1000
20%-20%
100%
-100%
w c
alco
lato
(mm
)
NL
b)
0.1
1
10
100
1000
0.1 1 10 100 1000
20%-20%
100%
-100%
w c
alco
lato
(mm
)
w misurato (mm)
LS
c)
Dati relativi a n. 42 palificate in vera grandezza
4 ≤ n ≤ 6.5001,8 ≤ s/d ≤ 7
15 ≤ L/d ≤ 125
Ponte sul Garigliano
Ponte strallatosul Garigliano.Pila n° 7
Ponte sul Garigliano – Pila 7Carico totale 113 MNCarico limite della piastra 112 MNCarico limite del palo singolo 3 MNCoefficiente di gruppo 0,7
Coefficiente di sicurezza con progettoconvenzionale (n = 144)
6,2113
7,03144=
××=FS
pali trivellatid = 0,8m; L = 12m
pali multiton
Sezione A - A
Sezione B - BB
B
A A
Pali strumentati
19,0
0 m
10,60 m
0
10
20
30
40
50
60
0 20 40 60 80 100 120
Carico (MN)
Ced
imen
to (m
m) Misure
Piastra senza paliGRUPPALO n.d.NAPRA n.d.GRUPPALO d.
NAPRA d.
0
10
20
30
40
50
60
0 20 40 60 80 100 120
Carico (MN)
Ced
imen
to (m
m) Misure
Piastra senza paliGRUPPALO n.d.NAPRA n.d.GRUPPALO d.NAPRA d.
800
600
400
2001
23
45
Angolo
Centro
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Car
ichi
(kN
)C
aric
hi (
kN)
800
12
34
52
600
400
200
13 4 5 6 7 8 9 10
Angolo
Centro16
x 2
,6 =
41,
6 m
13 m
0,9 m
44 m
1,63 m
20,8
m
Quadrante strumentato
XX
Y
Y
Sezione X - X Sezione Y - Y
1,60
m
Pianta della fondazione (351 pali; d = 450mm; L = 13m)
Stonebridge ParkLondra
Stonebridge ParkCarico totale 156 MNCarico limite della piastra 700 MNCarico limite del palo singolo 1,6 MNCoefficiente di gruppo 0,7
Coefficiente di sicurezza con progettoconvenzionale (n = 351)
5,2156
7,06,1351=
××=FS
0
4
8
12
16
20
0 40 80 120 160
Carico (MN)
Ced
imen
to (m
m)
Misure
NAPRA n.d.
NAPRA d.
CRITERI DI PROGETTO INNOVATIVI
DI PIU’ CON MENO
• Protezione dell’ambiente• Risparmio di risorse• Sviluppo sostenibile• Eleganza
Every baby roach looks pretty to his mom
Ma c’è spazioper questi discorsi
nel campo dellefondazioni su pali?
Hansbo, Kallstrom, 19832 edifici a Götheborg
Burland, Kalra, 1986Queen Elisabeth Conference Centre, Londra
Katzenbach et al., 1997Frankfurt Main
Messeturm1988/91
Messeturm
Japan Centre1994/96
American Express1991/92
Japan Centre
Commerzbank, Frankfurt
Ponte sul Garigliano
Stonebridge Park
δ (mm)
250 300 350150100500
5
10
15
20
25
Ag/A = 88%Ag/A = 82%
Ag/A = 54%Ag/A = 30%
0 200 400
numero di pali
UN LABORATORIO A CIELO APERTO
40.00 m 47.10 m
32.7
0 m
Tower U Tower A
Y3
Y2
benchmark for optical survey
86.5
0 m
Il Centro Direzionale di Napoli
40.00 m 47.10 m
32.7
0 m
Tower U Tower A
Y3
Y2
benchmark for optical survey
86.5
0 m
2 torri di altezza fuori terra H = 86,5 m
2 platee indipendenti: 40mx32,7m
qmax = 0,16 MPa; qlim = 1,7 MPa; FS > 10FS > 10
wav ∼ 200 mm (Burland & Burbidge, 1984)
cedimenti elevati → PALI
Holiday Inn e Torre Uffici
40.00 m 47.10 m
32.7
0 m
Tower U Tower A
Y3
Y2
benchmark for optical survey
86.5
0 m
2 torri di altezza fuori terra H = 86,5 m
2 platee indipendenti: 40mx32,7m
qmax = 0,16 MPa; qlim = 1,7 MPa; FS > 10FS > 10
wav ∼ 200 mm (Burland & Burbidge, 1984)
cedimenti elevati → PALI
Nel rispetto del vigente D.M. 1988, la Nel rispetto del vigente D.M. 1988, la soluzione adottata soluzione adottata èè stata:stata:
637 pali CFA, d = 60 cm, L = 637 pali CFA, d = 60 cm, L = 20 m20 m
40.00 m 47.10 m
32.7
0 m
Tower U Tower A
Y3
Y2
benchmark for optical survey
86.5
0 m
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40
distance across the slab [m]
settl
emen
t [m
m]
alignment Y2
alignment Y3
computed, piled raft
computed, unpiled raft
wmax ∼ 32 mmΔwmax ∼ 13 mm
Calibrazione del modelloCalibrazione del modello
40.00 m 47.10 m
32.7
0 m
Tower U Tower A
Y3
Y2
benchmark for optical survey
86.5
0 m
1 .60
m
1.00
m
2.40
m
42.25 m
16.3
5 m
Ag/A = 0.30, s/d ≈ 3
distributed loadAg
concentrated loads
Usando 318 pali “ben disposti”wmax ∼ + 10% (da 32 a 35 mm)Δwmax ∼ - 25% (da 13 a 10 mm)
-- 50% 50%
Viadotto in Val d’Agri (Basilicata)
Carico massimo di progetto sulle pile nn. 1, 2 e 3: 10 MN
Prima soluzione: Fond. superficiale (10,6x7,6 m2; s = 1,8 m)
Nessun problema di carico limite → FS > 3 (D.M. 88)
Cedimento massimo atteso: 7÷8 cm (elevato) → pali
Carico massimo di progetto sulle pilenn. 1, 2 e 3: 10 MN
Pali: FS = 2,5 (D.M. 88) → Qlim = 25 MN
Carico limite palo singolo: Qlim,s ∼ 2,2 MN
Numero minimo di pali: 12
-- 50%50%Soluzione con 5 pali
Aliquota di carico trasferito al contatto platea-terreno: β ∼ 80%
Aliquota di carico trasferita dai pali al terreno: β ∼ 20%
Massimo cedimento misurato dopo un anno: 5 mm (stabilizzato)
D = 10-12 mH = 15 mV = 1200-1700 m3
γsoda = 15 kN/m3
P =18-25,5 MN
10
Slightly silty sand
20
25 m
Made ground
5.25 m
100 20 60N
30 40 50
z [ m
]
Silty sand
SPT
30 m
0Cq [MPa]
3010 20
SPT1
SPT2
SPT3
CPT1CPT2
B = 8,00 m
10A10
B = 6,97 m
C = 380 mcH = 10,03 m
C = 588 mcH = 11,93 m
12S1
B= 12,00 m
C = 1700 mcH = 15,00 m
9
B = 6,97 m
C = 380 mcH = 10,05 m
8
B = 7,95 m
C = 495 mcH = 10,06 m
14
C = 1200 mc
B= 10,00 mH = 15,00 m
B= 9,90 m
C = 800 mcH = 10,25 m
10
B= 9,90 m
64 8
C = 800 mcH = 10,23 m
S3CPT1
11
S2
CPT
CPT2
C = 1320 mc
D= 10,60 mH = 15,00 m
Bore holes, SPT
6 7
2
2
H = 12,08 mB = 8,01 m
C = 608 mc
54
3
B = 8,01 m
H = 12,08 mB = 8,01 m
C = 608 mc
C = 608 mcH = 12,08 m
Length (m)
H = 12,08 mB = 8,01 m
C = 608 mc
C = 1200 mcH = 15,00 mB= 10,00 m
13
NSPT qc [MPa]
Serbatoi per lo stoccaggio di soda nel Porto di Napoli
Platea FSR > 8
Carichi staticiwR = 90-100 mm
Carichi cicliciwR = 150-180 mm10
Slightly silty sand
20
25 m
Made ground
5.25 m
100 20 60N
30 40 50
z [ m
]
Silty sand
SPT
30 m
0Cq [MPa]
3010 20
SPT1
SPT2
SPT3
CPT1CPT2
B = 8,00 m
10A10
B = 6,97 m
C = 380 mcH = 10,03 m
C = 588 mcH = 11,93 m
12S1
B= 12,00 m
C = 1700 mcH = 15,00 m
9
B = 6,97 m
C = 380 mcH = 10,05 m
8
B = 7,95 m
C = 495 mcH = 10,06 m
14
C = 1200 mc
B= 10,00 mH = 15,00 m
B= 9,90 m
C = 800 mcH = 10,25 m
10
B= 9,90 m
64 8
C = 800 mcH = 10,23 m
S3CPT1
11
S2
CPT
CPT2
C = 1320 mc
D= 10,60 mH = 15,00 m
Bore holes, SPT
6 7
2
2
H = 12,08 mB = 8,01 m
C = 608 mc
54
3
B = 8,01 m
H = 12,08 mB = 8,01 m
C = 608 mc
C = 608 mcH = 12,08 m
Length (m)
H = 12,08 mB = 8,01 m
C = 608 mc
C = 1200 mcH = 15,00 mB= 10,00 m
13
NSPT qc [MPa]
10.511.1 12.5
11 13 1214
10.5
2 4 6 8 10
Lenght (m)
Approccio convenzionale – 128 pali CFA d = 0,6 m, L = 11,3 m
FSp = 2,5w = 11-13 mm
Lenght (m)2 4 6 8 10
10.511.1 10.5
12141311
12.5
FSp = ?wmax = ?Dwmax = ?
Approccio innovativo – 52 pali CFA d = 0,6 m, L = 11,3 m
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
0 3 5 8 10 13 15 18 20 23
w [m
m]
w27
w28
w30
27
28
30
Carichi [MN]
wmax = 35 mmΔwmax = 15 mm
45
41
44
50
2
433.5
40
42
2
46
47
3.5
49
51
48
52
12.5
1
2
3
41, ..., 4 Benchmarks
Instrumented piles
Celle di carico VW sui pali
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1 2 3 4 5
P i/P
ave
MeasuredCalculated
pile
40
pile
43
pile
49
pile
46
pile
52
Russo et al., 2004
Plinti con i pali disposti ai vertici di un poligono regolareI carichi esterni si ripartiscono fra i pali in modo uniformeper simmetria. Le caratteristiche della sollecitazione siottengono con considerazioni di solo equilibrio
2 pali 3 pali 4 pali 5 pali
Usuali configurazioni di piccoli gruppi di pali
5 pali 6 pali 7 pali 8 pali
9 pali 10 pali 11 pali
s s
s
s
ss s
1.41s s
0,87s
s
0,87s
s
0,87s
s
s
Plinto a 5 pali con caricoconcentrato Q
Senza interazione fra i pali• carico su ciascun palo Qi = 0.2Q• plinto a 4 pali con Q’ = 0.8Q
Con interazione fra i pali• carico sui pali di spigolo = 0.23Q• carico sul palo centrale = 0.07Q• plinto a 4 pali con Q’ = 0.93Q• incremento del 16%
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O Gruppo 5x5Carico concentrato in asse QCarico uniformemente ripartito Q/B2
B
Influenza di cicli di carido e scaricosulla distribuzione del carico fra i pali
Serbatoi per soda caustica nel porto di Napoli
10
Slightly silty sand
20
25 m
Made ground
5.25 m
100 20 60N
30 40 50
z [ m
]
Silty sand
SPT
30 m
0Cq [MPa]
3010 20
SPT1
SPT2
SPT3
CPT1CPT2
11 13
44
432
14
40
41
3.5
42
524946
452
50
3
47
48
5135
34
39
37
38
3633
18
17
16
23
26
24
2527
28
30
10.511.1 10.5 12.5
6
Lenght (m)2 4 8 10
21
22
20
1915
1214
0
20
40
60
80
100
23-M
ay
06-J
un
20-J
un
04-J
ul
18-J
ul
01-A
ug
pile
load
[%]
0
6000
12000
18000
24000
30000
Pile load [%]Total applied load
tota
l app
lied
load
[kN
]Tank S12
0
20
40
60
80
100
23-M
ay
06-J
un
20-J
un
04-J
ul
18-J
ul
01-A
ug
pile
load
[%]
0
6000
12000
18000
24000
30000
Pile load (%)Total applied load
tota
l app
lied
load
[kN
]Tank S14
Influenza di cicli di carico e scarico e di strutture adiacentisulla distribuzione di carico fra i pali
Serbatoi per soda caustica nel porto di Napoli
44
432
14
40
41
3.5
42
524946
452
50
3
47
48
5135
34
39
37
38
3633
26
24
2527
28
30
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
pile 33 pile 36 pile 39 pile 40 pile 43 pile 46 pile 49 pile 52
pile
load
[kN
]
Maximum load
Unload
Time Carico per palo normalizzatoSpigolo Bordo Centro Sotto pila
Termine costruzione 1.30 1.00 0.80 0.903 anni dopo t.c. 1.16 0.96 0.90 0.9810 anni dopo t.c. 1.10 0.93 0.94 1.03
La rivincita di Winkler ?Creep della piastra in c.a.?
144
142
134
126
124
132
140
130
122
114
113
112
136
116
108
106
105
104
103
9496
98
9088
8786
85
7778
80
70
50
64
32
9
edge
internalunder the pier
corner
Pila n. 7 del ponte sul Garigliano
Theory and calculationsare not
substitute for judgement
but arethe basis for sounder judgement
Ralph B. Peck
Nicht ist sopraktisch
wie eine gute theorie!
(Immanuel Kant)
Istruzioniper l’uso