Interazione suolo struttura applicato all'analisi di un ponte autostradale

Le strutture in ambito civile sono caratterizzate da elementi strutturali a diretto contatto con il terreno. Questo comporta una dipendenza reciproca tra la risposta della struttura e la risposta del terreno.

Nel presente lavoro si descrivono i passi fondamentali per la modellazione dinamica nonlineare di interazione terreno-fondazione-struttura (SFSI) in OpenSees, applicata al caso di studio di un ponte autostradale. La risposta del modello SFSI è comparata alla risposta del modello a base fissa, al fine di studiare gli effetti della modellazione di tale interazione. 


Al termine di un evento sismico ci si aspetta che i danni riportati dalle costruzioni siano strettamente correlati al tipo di struttura ed ai criteri progettuali scelti per la messa in opera, ma l’esperienza mostra che, seppur le caratteristiche degli edifici siano le stesse, l’entità del danno può variare sensibilmente. In diversi terremoti si possono osservare crolli o danni importanti anche su edifici realizzati con criteri antisismici e questo indica che una buona progettazione non è sempre sufficiente per garantire un’adeguata sicurezza. In generale gli effetti di un sisma diminuiscono all’aumentare della distanza dall’epicentro ma, a causa di aspetti legati alla topografia e alla stratigrafia del sito, essi possono amplificarsi con conseguente incremento dello spostamento del suolo.

Continue variazioni di densità e rigidezza del mezzo causano l’amplificazione delle onde sismiche variandone la forma, mentre le irregolarità topografiche, dovute a particolari conformazioni della superficie libera, creano fenomeni di riflessione e focalizzazione di onde incidenti. Non a caso una costruzione realizzata su un suolo soffice o roccioso risponderà in modo differente.

Questo dimostra il forte legame tra l’ingegneria geotecnica e strutturale, che negli ultimi anni è stato oggetto di notevole interesse per i problemi di SFSI.

Inoltre durante un evento sismico la risposta strutturale è caratterizzata da due differenti interazioni tra la struttura ed il suolo: l’interazione cinematica e l’interazione inerziale.

La prima si manifesta con deformazioni e sollecitazioni imposte dal terreno alla fondazione, distribuendosi localmente con la profondità.

La seconda è legata al trasferimento di forze inerziali della struttura alla fondazione con conseguente deformazione del suolo. Tali fenomeni costituiscono uno scenario da prendere in considerazione quando si eseguono analisi computazionali, in quanto possono indurre importanti stati deformativi.

Questo è fondamentale soprattutto per gli edifici strategici e le infrastrutture, come ad esempio i ponti autostradali. Per sensibilizzare la loro valutazione sismica, oltre alle attuali normative, sono state sviluppate delle linee guida sulla valutazione e riduzione del rischio sismico dei ponti esistenti (ReLUIS, 2009) che definiscono in modo dettagliato le procedure di analisi.

 

Il caso studio di un ponte autostradale

Il ponte autostradale analizzato permette l’attraversamento di un fiume, dalla Figura 1 si osserva che la struttura è stata oggetto di ampliamento ed è oggi costituita da due ponti separati, ciascuno per ogni senso di marcia.

 

Interazione suolo struttura applicato all'analisi di un ponte autostradale

Figura 1. Vista dall’alto del ponte


Globalmente presenta un’obliquità geometrica di 54° e si estende per una lunghezza di 66 m, distribuita su tre impalcati semplicemente appoggiati, realizzati in calcestruzzo armato precompresso con cavi pre-tesi. La parte esaminata corrisponde a quella di prima costruzione con impalcati di larghezza pari a 15 metri che poggiano su due spalle e due pile, queste ultime costituite da quattro colonne circolari in cemento armato. In Figura 2 è evidente che la presenza del torrente comporta un dislivello topografico tra le spalle e le pile portandoli ad avere un’elevazione differente, rispettivamente di 4.5 m e 3.6 m.

 

Pila - spalla di un ponte autostradale

Figura 2. Dislivello pila - spalla


Il ponte interagisce con il terreno in superficie mediante le fondazioni superficiali per poi proseguire in profondità con delle palificate fino a 24 m. Dai sondaggi effettuati in sito si sono rilevate diverse stratificazioni riscontrando, nel seguente ordine, la presenza di sabbia fine, sabbia e ghiaia, limo grigio e marna. I parametri meccanici dei diversi strati di terreno sono riportati in Tabella 1, dove h è l’altezza dello strato, ρ è la densità, c è la coesione, ϕ è l’angolo di attrito, ν è il coefficiente di Poisson, E è il modulo di Young, G è il modulo di taglio, e Vs e Vp sono rispettivamente le velocità delle onde di volume S e P. Per la realizzazione della struttura sono stati utilizzati del calcestruzzo C25/30 e dell’acciaio d’armatura FeB44K.
 

Tabella 1: Parametri meccanici degli strati di terreno

Parametri meccanici degli strati di terreno

La descrizione del modello numerico SFSI

OpenSees e l’interfaccia grafica STKO

Nel presente articolo sono riportati i risultati di analisi comparative derivanti dall’utilizzo del codice di calcolo OpenSees (McKenna 2011). La struttura del programma è caratterizzata da diverse classi quali materiali, elementi, condizioni al contorno, metodi di analisi e risolutori di equazioni tra loro correlate, permettendo quindi l’esecuzione di analisi statiche e dinamiche, lineari e non lineari, di natura complessa.

Il codice è privo di interfaccia grafica e dunque si è fatto uso, per la fase di modellazione (pre-processor) e di visualizzazione dei risultati (post-processor), dell’interfaccia grafica STKO (ASDEA software technology 2019). L’interfaccia permette la scrittura automatica del modello nel file di input TCL.

 

Il modello numerico - SFSI

Modello numerico - SFSI

Figura 3. Modello SFSI


In Figura 3 è visibile il modello completo SFSI nel pre-processor di STKO, su cui sono state effettuate analisi statiche e dinamiche lineari e non lineari. Particolare attenzione è stata rivolta alle condizioni di vincolo per il collegamento tra l’impalcato e le sottostrutture in modo in modo da rappresentare fedelmente lo schema statico e cinematico in riferimento alle azioni che interessano la struttura.

In tal caso gli impalcati sono semplicemente appoggiati sulle pile e sulle spalle. Nella Figura 4 si riporta la realizzazione di link rigidi tra la spalla e i nodi realizzati in corrispondenza delle travi d’appoggio. Operazione analoga è stata effettuata per le pile, suddividendo inoltre l’elemento del pulvino in modo che i nodi che lo costituiscono siano disposti nella direzione delle travi principali.

Modello numerico - SFSI: Interazione tra i nodi e gli elementi strutturali

Figura 4. Interazione tra i nodi e gli elementi strutturali

 

Questa operazione è stata necessaria a causa dell’eccentricità presente tra gli assi baricentrici degli elementi. Inizialmente sono è stata svolta un’analisi gravitazionale per determinare i carichi assiali agenti sulle spalle e sulle pile, necessari per la modellazione delle cerniere plastiche in fase non lineare. A tale scopo le interazioni sono state modellate attraverso degli elementi Zero-Length, attribuendo, nella sola direzione di vincolo traslazionale, un link rigido. Per l’analisi verticale viene considerato lo schema statico per cui gli appoggi sono stati modellati nella sequenza cerniera - carrello.

Modello numerico - SFSI:Schema di vincolo cerniera - carrello sulla pila

Figura 5. Assi locali dell’interazione - Schema di vincolo cerniera - carrello sulla pila

...CONTINUA.

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Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS - Ascoli Piceno 2019