Risposta sismica non lineare di pile da ponte fondate su gruppi di pali inclinati

Pile da ponte: primi risultati di una ricerca orientata allo studio degli effetti della configurazione e dell’inclinazione dei pali sulla risposta sismica non lineare

La metodologia di analisi, basata su un approccio alle sottostrutture, viene preventivamente presentata; il sistema terreno-fondazione è analizzato nel dominio delle frequenze adottando un modello numerico sviluppato dagli autori mentre l’analisi di interazione inerziale delle sovrastrutture è svolta nel dominio del tempo per coglierne il comportamento non lineare. La dipendenza dalla frequenza delle funzioni di impedenza del sistema terreno-fondazione è approssimata nel dominio del tempo, attraverso un opportuno modello a parametri concentrati. La procedura è applicata ad alcuni casi studio costituiti da pile da ponte singole fondate in depositi di terreno argilloso di modesta ed elevata rigidezza. Sono considerate fondazioni costituite da pali aventi diversa inclinazione e pile caratterizzate da diversi periodi fondamentali e momenti flettenti di snervamento delle sezioni trasversali di base, al fine di simulare sistemi con diverso comportamento elastoplastico. I risultati delle analisi evidenziano il ruolo chiave rivestito dal rocking di fondazione sulla risposta strutturale e dimostrano che le fondazioni con pali inclinati possono contribuire a ridurre gli spostamenti massimi della testa della pila e la domanda di duttilità.

Pile da ponte: ma i pali inclinati sono davvero sconsigliati in zona sismica?

I moderni codici normativi (EN1998-5, NTC2008) sconsigliano l’uso dei pali inclinati in zona sismica, nonostante la loro riconosciuta capacità di resistere a forze orizzontali maggiori rispetto ai pali verticali di pari lunghezza e diametro. Questo suggerimento è conseguenza delle pessime prestazioni dei pali inclinati, osservate nei terremoti passati (e.g. Priestley et al. 1991). Tuttavia, indagini sulle effettive cause di danno, condotte da molti ricercatori nelle ultime decadi (e.g. Poulos 2006, Ravazi et al. 2007), hanno evidenziato che i danni osservati possono essere imputati ad una inadeguata progettazione, piuttosto che ad una intrinseca inadeguatezza dei pali inclinati. In aggiunta, sono disponibili alcune evidenze che dimostrano una buona performance dei pali inclinati soggetti ad azioni sismiche (Lam and Martin 1986, Gazetas and Mylonakis 1988). Appare dunque evidente che il ruolo dei pali inclinati nella risposta sismica delle strutture e delle fondazioni stesse non è ancora ben chiaro. Nonostante siano stati recentemente fatti importanti progressi nella comprensione della dinamica di fondazioni con pali inclinati (Sadek and Shahrour 2004, Giannakou et al. 2010, Padrón et al. 2010, Dezi et al. 2016), sono necessarie ulteriori analisi per chiarire gli effetti dei pali inclinati sulla risposta sismica della sovrastruttura. Questo lavoro presenta alcuni risultati di una ricerca in corso, mirata allo studio degli effetti dei pali inclinati sulla risposta sismica non lineare di pile da ponte singole. Inizialmente viene presentata la metodologia di analisi, basata su un approccio alle sottostrutture, che sarà applicata all’analisi di alcuni casi studio. Il sistema terreno- fondazione è analizzato nel dominio della frequenza per mezzo di un modello numerico sviluppato dagli autori (Dezi et al. 2016). Le analisi di interazione inerziale delle pile da ponte sono eseguite nel dominio del tempo per includerne la risposta non lineare, adottando un modello a parametri concentrati per tener conto della dipendenza dalla frequenza delle funzioni di impedenza dinamica del sistema terreno - fondazione. La procedura è applicata a casi studio costituiti da pile da ponte fondate su gruppi di pali verticali ed inclinati.

Figura 1. (a) Pila da ponte fondata su pali, (b) modello del sistema terreno-fondazione, (c) modello della sovrastruttura; (d) modello a parametri concentrati adottato.

I casi studio includono pile caratterizzate da diversi periodi fondamentali e da sezioni trasversali di base aventi diversi momenti di snervamento. I risultati delle applicazioni mostrano il ruolo rivestito dal rocking di fondazione ed in particolare dall’input rotazionale, che si aggiunge a quello traslazionale in conseguenza dell’accoppiamento roto- traslazionale che caratterizza al risposta cinematica delle fondazioni su pali. Gli effetti sulla struttura sono valutati in termini di spostamenti massimi in testa alla pila e di domanda di duttilità.

Metodologia di analisi dello studio

Si considera una singola pila da ponte fondata su un gruppo di pali inclinati di configurazione ed inclinazione generica. Tenendo conto in modo lineare equivalente delle non linearità del terreno, il problema di interazione terreno-struttura è studiato in accordo ad un approccio alle sottostrutture, dividendo il sistema terreno- fondazione-struttura (Figura 1a) nei sottosistemi terreno fondazione (Figura 1b) e sovrastruttura su opportuni vincoli cedevoli (Figura 1c). Questo approccio è classicamente adottato nel caso di sistemi a comportamento lineare ma può essere utilizzato per includere il comportamento non lineare della sovrastruttura (Sextos et al. 2003) nell’ipotesi di comportamento lineare del sistema terreno-fondazione, assumendo che le deformazioni prodotte dall’interazione inerziale siano trascurabili rispetto a quelle prodotte dalla propagazione delle onde sismiche nel terreno (interazione cinematica).

Analisi del sistema terreno-fondazione: impedenze e moto di fondazione

L’analisi dinamica del sistema terreno- fondazione fornisce la matrice di impedenza dinamica della fondazione, dipendente dalla frequenza, che caratterizza i supporti cedevoli della sovrastruttura ed il moto di fondazione in assenza di struttura che differisce dal moto di terreno libero in conseguenza dell’effetto filtro esercitato dalla fondazione profonda. 

In questo lavoro, le analisi dinamiche del sistema terreno-fondazione sono eseguite adottando il modello agli elementi finiti proposto da Dezi et al. (2016) (Figura 1b); il modello permette di studiare il problema di interazione terreno-palificata di fondazioni profonde caratterizzate da una generica configurazione e inclinazione dei pali, soggette alla propagazione di onde sismiche in depositi di terreno orizzontalmente stratificati. Il problema dinamico è risolto nel dominio delle frequenze modellando i pali con elementi finiti di tipo trave ed il terreno come un set di layer orizzontali indefiniti di spessore infinitesimo. La dinamica di ciascuno strato permette di cogliere l’interazione terreno- palificata e include lo smorzamento isteretico e geometrico del terreno. La presenza di una zattera rigida in testa ai pali è simulata considerando un vincolo interno rigido applicato ai nodi di sommità dei pali, avente come riferimento il nodo F. 

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Articolo tratto dagli Atti del XVII Convegno ANIDIS 2017 - Pistoia
Si ringrazia l'ANIDIS per la gentile collaborazione.