Interazione tra opere di sostegno e altri manufatti attraverso il terreno: quando l'effetto forma assume rilievo

L’importanza della forma planimetrica di un’opera di sostegno e le modifiche al suo comportamento quando le si costruisce davanti, in fase successiva, un manufatto pesante. 

I muri di sostegno sono spesso progettati con modelli semplificati, assumendo un comportamento a corpo rigido su suolo elastico lineare omogeneo. Non è possibile quindi analizzare problemi di interazione tra questi manufatti e quelli realizzati in adiacenza (esistenti o di futura costruzione), così come non è possibile tener conto degli effetti legati ad uno sviluppo non indefinitamente lineare.

Il caso presentato riguarda lo studio di un muro di sostegno a sviluppo per lo più circolare, di dimensioni significative (circa 10 m di altezza dallo spiccato fondazionale), in prossimità del quale sarà costruito un manufatto pesante, circolare, con funzione di vasca di raccolta liquidi.

Le analisi sono condotte in un dominio 3D al fine di tener conto degli effetti della geometria e delle fasi costruttive, ed i risultati sono confrontati con quelli ottenuti dalle più classiche analisi semplificate 2D. 

Esempio applicativo dell'interazione tra un muro di sostegno e un manufatto attraverso il terreno

Il caso in esame riguarda un muro di sostegno da costruire per la successiva formazione di un piazzale all’interno dell’area di uno stabilimento industriale: l’intervento puntuale si inserisce all’interno di un più ampio progetto di riqualificazione dell’area contermine allo stabilimento [1] sulla base del quale sono stati ricavati i dati di input geometrici e prestazionali dell’opera. La collaborazione tra le società di ingegneria coinvolte nel progetto ha permesso non solo la progettazione strutturale e geotecnica dell’opera, ma anche la redazione di uno specifico modello BIM, sfruttando così questo strumento informatico per validare il corretto inserimento del manufatto nel complesso insieme di opere da realizzare. 

Allo stato di fatto iniziale l’area era occupata da un pendio naturale, con pendenza variabile. L’opera, realizzata previo sbancamento in scarpata fino a 45°, si inserisce ai piedi del pendio stesso e determina un salto di quota di circa 6 m tra il piano finito di valle e la superficie del terreno retrostante il muro.

Lo sviluppo dei muri è, nel complesso, tendenzialmente rettilineo: fa eccezione la zona in esame, in cui il manufatto segue una semicirconferenza con raggio interno di circa 15.5m misurato al piede della parete, con piano di posa delle fondazioni a -3.2m dal piano finito di progetto. Nella zona racchiusa dalla parete sarà costruita, in seconda fase, una vasca a pianta circolare per l’accumulo liquidi, con altezza massima del tirante idraulico di 8.5m e franco di 1.5m dalla sommità delle pareti (peso totale distribuito in fondazione pari a circa 120 kPa).

Geometria e carichi di progetto

La sezione tipologica del muro di sostegno in c.a. ha una geometria articolata, rappresentata in Figura 3. 

L’opera si sviluppa lungo una semicirconferenza, con raggio di curvatura di 15.5m, e due tratti rettilinei paralleli e affacciati di estremità, di lunghezza circa pari a 20m, a definire una forma complessiva “a ferro di cavallo”.

L’area delimitata dal muro è interessata dalla costruzione di un manufatto in c.a. per il contenimento e il trattamento di liquidi: la soletta di fondazione è assunta di spessore 1.2m, allineata a quella del muro, da cui spiccano i muri della vasca a pianta circolare, coassiali, di raggio interno di 6.5m e 12.5m, ed altezza complessiva di 10.0m.

Lo spazio compreso tra le pareti del muro e quelle della vasca sarà riempito con terreno fino a raggiungere la quota del p.c. di progetto.

In fase finale è applicato il peso proprio dell’acqua invasata nella vasca del depuratore, al massimo tirante di esercizio (8.50m).

Preliminarmente al rinterro a tergo del muro di sostegno, si realizza un sistema di drenaggio a tutta altezza che permette da un lato di raccogliere le acque di ruscellamento tramite una canaletta superficiale e dall’altro di captare l’acqua di infiltrazione del pendio, annullando le potenziali sovrappressioni idrauliche.

Proprietà dei materiali e caratterizzazione geotecnica-stratigrafica

Sulla base dei sondaggi geognostici eseguiti, il suolo su cui insiste l’opera è caratterizzato da una coltre superficiale di terreno vegetale/coesivo, di spessore minore di 3.0m, al di sotto del quale è presente uno strato sostanzialmente omogeneo di sabbia e ghiaia limosa, di buone caratteristiche meccaniche, che si estende oltre i 15.0m di profondità (fondo foro). 

Indagini geofisiche (MASW) hanno evidenziato la presenza di depositi con velocità delle onde di taglio Vs crescenti con la profondità. Il substrato più rigido (Vs ≥ 800m/s) è riconosciuto a quota -17.0m rispetto al p.c.

Il riempimento del volume di scavo iniziale retrostante i muri e della zona interna (lato valle) è eseguito con materiale drenante di buone caratteristiche deformative e di resistenza.

Le caratteristiche meccanico-deformative dei terreni sono riassunte in Tabella 1, dove si riporta anche la potenza assunta per gli strati. Gli elementi strutturali sono tutti realizzati in calcestruzzo armato ordinario, gettato in opera.

Tabella 1 - Caratteristiche meccaniche e/o geotecniche dei terreni e dei materiali.

La fase di modellazione

L’analisi è stata condotta col programma MIDAS GTS NX 2019 (v1.1) [2,3], software specifico per l’analisi di problemi che coinvolgono l’interazione terreno-struttura.

Dal punto di vista della modellazione numerica, i volumi solidi sono stati discretizzati con elementi finiti 3D a 6/8 nodi (hybrid mesh), a cui è associato un meccanismo di rottura alla Mohr-Coulomb per i terreni ed un comportamento lineare elastico per le strutture in calcestruzzo (solette e pareti). 

Ai fini del presente studio, il reale sviluppo delle opere in progetto è stato semplificato focalizzando l’attenzione alla struttura di sostegno nella zona della vasca, ovvero trascurando la presenza delle strutture adiacenti. 

La morfologia del p.c. è stata ricostruita utilizzando le curve di livello rilevate allo stato di fatto: l’orografia del terreno non è simmetrica rispetto al sistema strutturale, perciò nemmeno il comportamento tenso-deformativo atteso per l’opera sarà simmetrico.

Particolare attenzione è stata posta all’interfaccia tra la fondazione del muro e quella della vasca (manufatto pesante interno realizzato in fase successiva), con l’obiettivi di valutare gli effetti di interazione tra le fondazioni dei 2 corpi. In un primo modello (A) è mantenuta la congruenza nodale tra le due solette, mentre in un secondo modello (B), le stesse sono state separate mediante il comando di split node connection all’interfaccia. 

L’analisi numerica considera le seguenti fasi costruttive (stress analysis – construction stage):

• Fase 0: INIZIALE - Stato di fatto ante-opera
• Fase 1: SCAVO- Esecuzione dello scavo in scarpata - (imposto l’azzeramento finale degli spostamenti)
• Fase 2: MURO - Realizzazione dell’opera in c.a. 
• Fase 3: RINTERRO - Rinterro a tergo del muro con materiale incoerente
• Fase 4: VASCA - Realizzazione della fondazione e delle pareti in c.a. del manufatto interno (Split node connection all’interfaccia tra le fondazioni nel modello B).
• Fase 5: FINALE - Rinterro finale lato valle a raggiungere il p.c. di progetto
• Fase 6: INVASO - Massimo invaso di esercizio nella vasca

L'articolo continua con la trattazione dei risultati delle analisi e con il confronto con quelli ottenuti dalle più classiche analisi semplificate 2D.

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