Un nuovo approccio integrato per l’analisi non lineare agli elementi finiti delle opere di sostegno

Nel presente articolo di tipo tecnico e di sviluppo software, la STACEC tramite il fondatore Cosimo ALVARO e l’amministratrice delegata Ing. Maria Rosa ALVARO, dopo una disamina della progettazione dei sistemi geotecnici e con riferimento alle opere di sostegno, presentano una metodologia innovativa per il calcolo e la verifica delle stesse, grazie anche alle possibilità offerte dalle nuove tecnologie software che prevedono l’utilizzo di modelli di calcolo più performanti consentendo di analizzare in maniera più appropriata lo studio dei muri di sostegno.

Stacec presenta la nuova piattaforma GEOTECNICA NEXT di tipo integrato con riferimento a modellazioni 2D, con gli accorgimenti necessari per valutare gli effetti 3D, per arrivare in futuro a sviluppare modellazioni totalmente tridimensionali che meglio si prestano ad approcci integrati con il BIM infrastrutturale.

La Suite  GEOTECNICA NEXT

Da un’attenta analisi di mercato sulle soluzioni geotecniche nazionali e internazionali emerge che la maggior parte delle soluzioni software proposte, adottano soluzioni geotecniche per analizzare muri, paratie e stabilità di pendii con approcci e metodi minimali, come se le opere geotecniche fossero considerate di minore importanza, con teorie implementate che fanno riferimento ai metodi dell’equilibrio limite globale.

Da queste considerazioni, nasce l’esigenza di produrre una suite di geotecnica che possa affrontare i problemi più comuni ad un livello superiore, in modo da colmare alcune lacune e approssimazioni del problema.

In tale contesto nasce la suite GEOTECNICA NEXT che è composta dagli applicativi riportati nella figura 1.

Come si può osservare l’ambiente integrato si compone dei seguenti applicativi interoperabili tra di loro, descritti sommariamente nelle tabelle seguenti.

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Il software MURI NEXT

Generalità

Muri Next è un codice di calcolo per analisi, progetto, verifica e valutazione della sicurezza dei muri di sostegno.

Le tipologie di opere che possibile modellare ed analizzare riguardano:

• Muri a mensola in c.a., semigravità e gravità
• Muri a tratti con asse spezzato variabile,
• Muri prefabbricati in c.a.,
• Strutture miste: Muri a gabbioni e in terra rinforzata;

Le fondazioni in c.a. delle tipologie di muri possono essere:

•  inclinate con spessore variabile
• con uno o più denti in posizione qualsiasi;
• su pali e/o micropali verticali o inclinati.

I paramenti dei muri in c.a. possono avere la presenza di:

• Mensole di valle e/o di monte in numero n funzione della spaziatura e altezza del muro;
• Piu file di tiranti attive e/o passivi gestiti anche per fasi;
• Puntoni e/o vincoli elastoplastici con comportamento trazione-compressione o monolatero;
• Contrafforti interni o esterni o entrambi;

Il modello geotecnico è costituito dal profilo topografico a monte e valle e da stratigrafie del tutto generiche a cui si assegnano i modelli costitutivi del terreno/roccia con i relativi parametri fisico-meccanici che permettono l’analisi e la verifica di tutti i meccanismi di collasso strutturale (STR), Geotecnico (GEO, EQU, STAB), Idraulici (HYL UPL).

Le tipologie di carico oltre il peso proprio del terreno e del muro possono essere con destinazione d’uso di tipo concentrato (Forze X, Y - Coppia M) o distribuiti sia sul profilo di monte e valle e sulla struttura.
L’azione sismica può essere simulata o tramite l’approccio pseudostatico con Kh-Kv o l’utilizzo di accelerogrammi naturali. È tenuto conto dell’effetto dell’acqua in condizioni sismiche.

La falda può gestita o definendo i profili di monte e di valle, con andamento qualsiasi di tipo profilo poligonale o tramite analisi con moto di filtrazione note le condizioni al contorno.

Le tipologie di analisi per combinazioni o fasi costruttive previste, sono:

• Analisi classica: Progetto e verifica a valle di un’analisi non lineare con moltiplicatore unitario e coefficienti di combinazione;
  

• Analisi al collasso: Analisi incrementale a spinta con condizione di carico orizzontale e/o verticale per la determinazione del moltiplicatore un ultimo.
  

• Verifiche di muri esistenti: Valutazione della sicurezza dei muri esistenti con calcolo degli indicatori di rischio sismico e statico;

• Analisi di stabilità con Metodi MEL: con superfici circolari o generiche tramite i metodi MEL (Fellenius, Bishop, Janbu e GLE)

• Analisi di stabilità al continuo non lineare: tramite metodo del SRF o per incrementi di carico anche con analisi di filtrazione;

•  Analisi dinamica semplificata: tramite modello di Newmark con valutazione degli spostamenti permanenti residui.

I modelli di calcolo utilizzati per le analisi di cui sopra:

• Analisi con metodologia agli elementi finiti di tipo Beam Winkler non linear spring: per le tipologie di muri in c.a., con pali, tiranti etc. Il terreno con letti di molle normali e tangenziali tarati su rottura attiva, passiva e di taglio-scorrimento. È possibile modellare il terreno al continuo non lineare tramite elementi di contatto;
  
• Rigid FEM o Macroelementi con interfacce: Per le tipologie di muri a blocchi, gabbioni e terre rinforzate oltre ai metodi cui sopra si possono usare i modelli sopracitato.

Le verifiche effettuate in automatico dal software sono tutte quelle previste dalle normative vigenti. Inoltre il codice per le opere in c.a. permette la progettazione automatica delle armature e relativa modifica con riverifica degli elementi.
Le tavole di carpenteria sono generate automaticamente e sono del tutto personalizzabili come pure la stima delle quantità tramite computo metrico.

La generazione della relazione è automatica è personalizzabile tramite inserimento di immagini. Infine è possibile generare il relativo Piano di Manutenzione dell’opera.

Nella figura 2 si riporta una tecnica di modellazione FEM al continuo non lineare tramite mesh triangolari ed elementi di contatto terreno-muro.

Nella figura 3 si riporta la modellazione effettuate con una versione alpha di Muri Next tramite analisi al collasso. Tutti gli elementi strutturali quali cerniere plastiche e tiranti sono considerati elastoplastiche con rottura, mentre i set di molle normali e tangenziali hanno una legge costitutiva definita dalla resistenza attiva, passiva e taglio per scorrimento. In figura si può osservare lo stato di danno nelle molle del terreno e cerniere strutturali. La curva di capacità permette di scorporare le aliquote portate dai pali, per attrito alla base, dai tiranti etc. Si può vedere come il collasso avviene per cedimento dei tiranti (4).

Nella figura 5 si riporta la modellazione di un muro realizzato per fasi costruttivi dallo scavo all’entrata in carico e relativa rottura del cuneo attivo tramite analisi FEM al continuo non lineare.

Le tipologie di opere di sostegno

Come già descritto in precedenza in Muri Next è possibile progettare e verificare muri di sostegno dalle tipologie più semplici a quelle complesse.

Riportiamo nel seguito delle possibili casistiche, in cui le tipologie implementate sono sei ma tramite l’inserimento di altri elementi strutturali e geotecnici possono generare svariate combinazioni.

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