Paratie e interazione terreno-struttura: la modellazione con IS Paratie
Il software IS Paratie modella le opere di sostegno flessibili con un approccio basato sull'interazione terreno-struttura. Nel caso studio di Acqui Terme una berlinese in micropali assolve un duplice scopo: contenere lo scavo a valle e arrestare i cedimenti verticali di un edificio a monte, simulando l'evoluzione non lineare del sistema per fasi
IS Paratie è un software CDM DOLMEN per l'analisi delle paratie e delle opere di sostegno flessibili, basato sull'interazione terreno-struttura: il terreno è modellato con molle elasto-plastiche con isteresi e relazioni p-y, la struttura a elementi finiti. L'analisi incrementale per fasi riproduce il comportamento non lineare del sistema, in cui non vale la sovrapposizione degli effetti. Nel caso studio di Acqui Terme una berlinese in micropali contiene lo scavo a valle e arresta i cedimenti di un edificio a monte: il modello simula stato geostatico iniziale, scavo progressivo e verifica sismica secondo NTC 2018, confermando l'efficacia dell'intervento.
Progettazione e analisi delle paratie: l’interazione terreno-struttura con IS Paratie
Che cosa sono le paratie e dove si utilizzano
Le paratie rappresentano una delle soluzioni più diffuse per il sostegno degli scavi in ambito geotecnico e strutturale.
Si tratta di opere di sostegno flessibili costituite da pareti verticali infisse nel terreno, caratterizzate da una notevole snellezza e progettate per resistere sia alle pressioni laterali del terreno sia alle spinte generate dalla presenza della falda.
Il loro impiego è particolarmente frequente nelle aree urbane densamente edificate, dove la vicinanza di edifici, infrastrutture e sottoservizi richiede un controllo rigoroso delle deformazioni indotte dagli scavi. Ne sono un esempio le stazioni metropolitane, i parcheggi interrati multipiano e le grandi opere infrastrutturali come il passante ferroviario urbano di Torino. Le paratie trovano inoltre applicazione nella realizzazione delle fondazioni profonde di ponti, nel consolidamento di argini e nella stabilizzazione di pendii e scarpate.
Le principali tipologie di paratie: diaframmi, berlinesi, palancole e pali secanti
Le opere di sostegno flessibili possono essere realizzate con diverse tecnologie costruttive, ciascuna caratterizzata da specifici campi di applicazione e modalità di comportamento strutturale.
I diaframmi in calcestruzzo armato sono costituiti da setti continui eseguiti mediante benna mordente o idrofresa. Grazie alla possibilità di raggiungere profondità elevate anche in spazi limitati, rappresentano una delle soluzioni più efficaci per gli scavi profondi in ambito urbano.
Le berlinesi sono invece formate da pali o micropali disposti a interasse superiore rispetto al loro diametro. La stabilità del terreno tra gli elementi strutturali è garantita dall'effetto arco che si sviluppa naturalmente nel terreno stesso, impedendone il rifluimento attraverso le aperture.
Le palancole possono essere realizzate in acciaio, cemento armato o legno. Le più diffuse sono quelle metalliche, costituite da elementi modulari che si incastrano reciprocamente formando una parete continua. La loro installazione avviene generalmente mediante infissione, vibroflottazione o sistemi a percussione.
Un'ulteriore soluzione è rappresentata dalle paratie di pali accostati o secanti, realizzate mediante pali trivellati o micropali e spesso utilizzate quando sono richieste particolari prestazioni di rigidezza o impermeabilità.
La centralità dell’interazione terreno-struttura
L'analisi delle paratie costituisce uno dei casi più significativi di interazione terreno-struttura. A differenza di molte opere civili, infatti, il terreno non rappresenta soltanto il carico agente sulla struttura, ma anche il principale elemento che ne garantisce l'equilibrio e la stabilità.
Il comportamento della paratia dipende dalla mobilitazione progressiva delle spinte del terreno. Durante le fasi di scavo, il terreno a monte tende a raggiungere condizioni di spinta attiva, esercitando pressioni sulla struttura. Contemporaneamente il terreno posto a valle mobilita la propria resistenza passiva, opponendosi agli spostamenti della paratia e contribuendo al raggiungimento dell'equilibrio.
Prima dell'inizio dello scavo, la distribuzione delle tensioni laterali è governata dalla condizione geostatica a riposo, descritta dal coefficiente K0. L'evoluzione delle tensioni nelle successive fasi costruttive dipende dagli spostamenti della struttura e dalla storia tensionale del terreno.
La presenza di edifici, infrastrutture o sovraccarichi nelle immediate vicinanze dello scavo rende ancora più importante una corretta valutazione dell'interazione terreno-struttura. Limitare gli spostamenti orizzontali della paratia significa infatti ridurre il rischio di cedimenti e danni alle costruzioni esistenti.
I parametri che influenzano il progetto della paratia
La progettazione di una paratia richiede la valutazione simultanea di numerosi fattori geotecnici e strutturali.
Tra i principali aspetti da considerare vi sono:
- la successione stratigrafica dei terreni;
- le caratteristiche meccaniche dei diversi strati;
- la presenza e la quota della falda;
- i fenomeni di filtrazione;
- i carichi applicati sul terreno retrostante;
- eventuali carichi direttamente agenti sulla struttura;
- la presenza di tiranti, puntoni o altri sistemi di contrasto;
- le condizioni sismiche di progetto;
- la deformabilità della paratia;
- la sequenza delle fasi costruttive.
Quest'ultimo aspetto assume particolare rilevanza poiché il comportamento del terreno è fortemente non lineare e dipendente dal percorso tensionale seguito durante la costruzione. Di conseguenza non è possibile applicare il principio di sovrapposizione degli effetti, rendendo necessaria un'analisi incrementale delle varie fasi operative.
Come IS Paratie modella l'interazione terreno-struttura: molle p-y e analisi per step
IS Paratie è un software dedicato all'analisi e alla progettazione delle opere di sostegno flessibili che affronta il problema mediante un approccio numerico avanzato basato sull'interazione terreno-struttura.
Il terreno viene schematizzato attraverso molle discrete orizzontali a comportamento elasto-plastico con isteresi, mentre la struttura della paratia è modellata mediante elementi finiti. L'interazione è descritta tramite relazioni p-y che legano la reazione del terreno agli spostamenti orizzontali della struttura.
La legge costitutiva adottata considera una risposta elastica iniziale con limiti plastici definiti dalla spinta attiva e dalla resistenza passiva del terreno. Inoltre il modello consente di tenere conto degli effetti della storia tensionale distinguendo le fasi di scarico-ricarico dalle condizioni di carico vergine.
L'analisi viene sviluppata per step, che rappresentano le diverse fasi realizzative dell'opera. In ciascuna fase possono essere introdotte modifiche alla geometria dello scavo, inseriti o rimossi tiranti e puntoni, applicati nuovi carichi, variate le condizioni di falda oppure considerate transizioni da comportamento non drenato a drenato.
Grazie a questo approccio è possibile simulare con elevato realismo il comportamento della struttura durante tutto il processo costruttivo.
Funzionalità di IS Paratie: tipologie, vincoli, falda e verifiche normative
IS Paratie consente di progettare paratie a sbalzo, monoancorate o pluriancorate, con vincoli rigidi o deformabili. Il programma permette inoltre di modellare sistemi composti da due paratie contrapposte eventualmente collegate mediante puntoni.
La stratigrafia può essere completamente eterogenea e il software è in grado di considerare la presenza di livelli piezometrici differenti tra monte e valle, valutando gli effetti dei moti di filtrazione.
Le verifiche possono essere eseguite sia con il metodo degli Stati Limite sia, in alternativa, con il metodo delle tensioni ammissibili, in conformità alle Norme Tecniche per le Costruzioni (DM 17 gennaio 2018) e alle più recenti versioni degli Eurocodici.
Particolare attenzione è stata dedicata alla modellazione delle sezioni resistenti. Il codice di calcolo adotta procedure generali che consentono l'analisi di sezioni composte da materiali differenti, lasciando al progettista la possibilità di utilizzare le leggi costitutive previste dalla normativa o di personalizzarne i parametri in funzione delle specifiche esigenze progettuali.
IS Paratie: sviluppo, validazione e affidabilità del codice
IS Paratieè sviluppato e distribuito da CDM DOLMEN Srl, società attiva da molti anni nel settore del software per l'ingegneria strutturale e geotecnica. Il programma è il risultato dell'esperienza di ingegneri civili specializzati nell'analisi strutturale e nella progettazione delle opere di sostegno.
L'affidabilità del codice è supportata da un'ampia documentazione tecnica, da procedure di validazione e dall'utilizzo consolidato presso numerosi studi professionali e società di ingegneria in Italia e all'estero.
Grazie alla capacità di modellare in modo realistico il comportamento non lineare del terreno e l'evoluzione delle condizioni costruttive, IS Paratie rappresenta uno strumento completo per affrontare con precisione la progettazione delle opere di sostegno flessibili più complesse.
Caso studio: berlinese con micropali per contenimento, scavo e stabilizzazione edificio esistente
Nel seguente caso applicativo viene illustrata la modellazione di una paratia di tipo berlinese realizzata nel Comune di Acqui Terme, sotto la supervisione dell’ing. Muschiato, con l’obiettivo di gestire contemporaneamente la stabilizzazione di un edificio esistente e la realizzazione di uno scavo per un box interrato.
L’intervento rappresenta una situazione tipica di interazione tra nuova opera di sostegno e manufatti esistenti, in cui la paratia non svolge solo funzione di contenimento dello scavo, ma anche di presidio strutturale nei confronti di cedimenti già in atto.
Inquadramento dell’intervento
L’opera è costituita da una berlinese in micropali con interasse pari a 50 cm. Gli elementi verticali sono realizzati mediante tubolari Ø 114 mm, spessore 10 mm, acciaio S275 con diametro di perforazione 15 cm. A coronamento della struttura è prevista una trave in calcestruzzo armato di sezione 50×50 cm, armata con 12 barre Ø14 e staffe Ø12 disposte ogni 15 cm, con funzione di ripartizione dei carichi e collegamento dei micropali e tiranti.
La paratia è stata concepita per un duplice scopo:
- contenimento dello scavo lato valle per la realizzazione del nuovo box interrato;
- contrasto ai cedimenti dell’edificio esistente posto a monte, che mostrava fenomeni di abbassamento verticale già in atto prima dell’intervento.
L’esecuzione della berlinese ha quindi avuto anche un effetto di presidio, contribuendo all’interruzione dei cedimenti della struttura esistente, grazie al miglioramento delle condizioni di equilibrio del terreno in prossimità delle fondazioni.
Modellazione geotecnica e strutturale
La modellazione numerica ha considerato la presenza della struttura in condizioni geostatiche iniziali, con stato tensionale definito dal coefficiente K₀.
Il modello geotecnico è stato costruito tenendo conto della presenza del fabbricato a monte, introdotto come carico applicato in corrispondenza delle fondazioni esistenti. Questo aspetto risulta determinante per la corretta valutazione dell’interazione terreno-struttura e per la stima dei cedimenti in fase di esercizio.
La struttura di sostegno è stata modellata considerando i micropali con relativa rigidezza flessionale e resistenza, mentre il cordolo sommitale in calcestruzzo armato viene simulato come elemento “ a trave continua appoggiata sui tiranti e caricata dai pali”.
Sono state inoltre definite le caratteristiche dei tiranti attivi, progettati per contribuire alla stabilità globale dell’opera durante le fasi di scavo.
Suddivisione in fasi costruttive (step di calcolo)
L’analisi è stata sviluppata attraverso una sequenza di fasi costruttive, fondamentali per descrivere correttamente il comportamento non lineare del sistema terreno–struttura.
Step 1 – Stato iniziale e realizzazione dell’opera
In questa fase viene modellata la paratia in condizioni geostatiche, con attivazione dei micropali, del cordolo sommitale e inserimento dei tiranti attivi. Viene inoltre applicato il carico trasmesso dall’edificio esistente a monte.
Step 2 – Fase di scavo
Si procede con l’esecuzione dello scavo fino a una profondità di 3,5 m. Questa fase determina la prima significativa redistribuzione delle spinte del terreno e l’attivazione progressiva della resistenza passiva a valle.
Figura 5 - IS Paratie, mobilitazione pressioni scavo finale
Step 3 – Azione sismica
Viene infine introdotta la verifica in condizioni sismiche, al fine di valutare il comportamento della struttura in presenza di azioni orizzontali aggiuntive.
N.B. il calcolo è stato eseguito secondo le NTC 2018, punto 6.5.3.1.2, SLU Approccio 1 Combinazione 2 (A2+M2+R1) applicando l’azione sismica in uno step finale senza utilizzare lo scenario apposito relativo alla configurazione con carico sismico (NTC 2018, punto 7.11.1, SLV (A=1+M=1+R1)) per una questione cautelativa.
Nel programma sarebbe possibile eseguire il calcolo nelle tre configurazioni di norma generando 3 report di calcolo distinti, ma in genere si consiglia di procedere con la valutazione dello scenario peggiore tra le due combinazioni statiche e su questa applicare il sisma senza tenere in conto della possibilità di avere gli A1 unitari: se tutto è verificato questo comporta una unica relazione di calcolo con i risultati più cautelativi.
Verifiche e risultati dell’analisi
Il modello numerico ha permesso di verificare il comportamento globale della paratia in tutte le fasi previste, con particolare attenzione a:
- verifiche geotecniche dei micropali;
- verifiche strutturali del cordolo in calcestruzzo armato;
- verifiche di resistenza e stabilità dei tiranti;
- valutazione degli stati tensionali nel terreno in condizioni attive e passive.
Un aspetto fondamentale dell’analisi ha riguardato il controllo dei cedimenti verticali dell’edificio esistente. L’introduzione della berlinese ha infatti consentito di ridurre significativamente i movimenti del terreno in prossimità delle fondazioni, contribuendo alla stabilizzazione della struttura e all’arresto dei cedimenti precedentemente osservati.
Considerazioni finali: paratie flessibili e controllo dei cedimenti negli scavi urbani
Il caso studio evidenzia come una berlinese in micropali possa svolgere una funzione duplice: da un lato il contenimento dello scavo, dall’altro la mitigazione dei cedimenti su edifici esistenti in condizioni critiche.
La modellazione per fasi consente di rappresentare in modo realistico l’evoluzione del comportamento del sistema terreno–struttura, includendo sia gli effetti delle azioni costruttive sia quelli legati alla presenza di carichi permanenti e azioni sismiche.
L’utilizzo di strumenti di analisi avanzata permette quindi non solo la verifica della sicurezza dell’opera, ma anche una valutazione più consapevole dell’interazione con il contesto urbano circostante, elemento sempre più centrale nella progettazione geotecnica moderna.
FAQ TECNICHE Berlinese in micropali con IS Paratie: dal modello alle verifiche geotecniche
Che cosa sono le paratie e quando si utilizzano?
Le paratie sono opere di sostegno flessibili costituite da pareti verticali infisse nel terreno, progettate per resistere alle spinte laterali del terreno e della falda. Si impiegano per il sostegno degli scavi, in particolare in aree urbane dense, per stazioni metropolitane, parcheggi interrati, fondazioni profonde di ponti e stabilizzazione di pendii.
Quali tipologie di paratie gestisce IS Paratie?
Il software consente di analizzare paratie a sbalzo, monoancorate o pluriancorate, con vincoli rigidi o deformabili, oltre a sistemi di due paratie contrapposte collegate da puntoni. Le tecnologie modellabili comprendono diaframmi in c.a., berlinesi in pali o micropali, palancole e paratie di pali accostati o secanti.
Perché l'interazione terreno-struttura è centrale nella progettazione delle paratie?
Nelle paratie il terreno non è solo carico, ma anche l'elemento che garantisce equilibrio e stabilità. Durante lo scavo il terreno a monte mobilita la spinta attiva, mentre quello a valle sviluppa resistenza passiva. La condizione iniziale è governata dal coefficiente di spinta a riposo K₀, e l'evoluzione dipende dagli spostamenti e dalla storia tensionale.
Come modella il terreno IS Paratie?
Il terreno è schematizzato con molle discrete orizzontali a comportamento elasto-plastico con isteresi, mentre la paratia è modellata a elementi finiti. L'interazione è descritta da relazioni p-y che legano la reazione del terreno agli spostamenti orizzontali, con limiti plastici definiti da spinta attiva e resistenza passiva e distinzione tra carico vergine e scarico-ricarico.
Perché è necessaria un'analisi per fasi costruttive?
Il comportamento del terreno è fortemente non lineare e dipende dal percorso tensionale: non è quindi applicabile il principio di sovrapposizione degli effetti. L'analisi si sviluppa per step che riproducono le fasi reali (scavo, inserimento/rimozione di tiranti e puntoni, nuovi carichi, variazioni di falda, transizioni da non drenato a drenato), simulando l'opera durante tutto il processo costruttivo.
Quali norme si applicano alle verifiche delle paratie?
Le verifiche possono essere condotte agli Stati Limite o alle tensioni ammissibili, in conformità alle NTC 2018 (DM 17 gennaio 2018) e agli Eurocodici. Per la progettazione geotecnica il riferimento europeo è la UNI EN 1997-1 (Eurocodice 7); l'esecuzione di micropali e ancoraggi è disciplinata rispettivamente dalla UNI EN 14199 e dalla UNI EN 1537. Nel caso studio il calcolo sismico è eseguito secondo NTC 2018 §6.5.3.1.2, SLU Approccio 1 Combinazione 2 (A2+M2+R1).
Quali errori evitare nella modellazione delle paratie?
Tra gli errori più frequenti: trascurare la sequenza delle fasi costruttive applicando i carichi in un'unica configurazione, omettere i carichi degli edifici adiacenti sul terreno retrostante, ignorare livelli piezometrici differenti tra monte e valle e i relativi moti di filtrazione, e sottostimare il controllo degli spostamenti orizzontali, da cui dipendono i cedimenti delle costruzioni esistenti.
