9 PGDT - Geosintetici RINFORZO-per dispense

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GEOSINTETICI NELLE APPLICAZIONI GEOTECNICHE:
LINEAMENTI FONDAMENTALI PER LA
PROGETTAZIONE DI INTERVENTI DI RINFORZO
Riccardo Berardi
GEOSINTETICI : TIPOLOGIE E FUNZIONI
R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio
2
GT tessuto
Aspetti generali Terre Rinforzate :
GG
GR
1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa
GT non tessuto
+ GR = GC
+ nucleo = GC
GEOSINTETICI : RINFORZO
3
•Aumento resistenza (trazione)
•Riduzione deformabilità
Rinforzo
RINFORZO : PRINCIPI
4
Terreno:
•resistenza a compressione e a taglio
• nulla resistenza a trazione
INTRODUZIONE DEI RINFORZI
•Aumento della resistenza dell’ammasso
•Pendenze maggiori
•Riduzione spostamenti
•Buona resistenza sotto carico ciclico
Aspetti generali
Dreni/Filtri
Terre Rinforzate :
Materiale composito che migliora
le caratteristiche del terreno
TERRE RINFORZATE CON GEOSINTETICI
5
palm fronds
GRW – 2000 a.C.
Aspetti generali
Dreni/Filtri
Geosynthetics
Terre Rinforzate :
Ziggurat-1000 b.C.
L’INSERIMENTO DI UN RINFORZO
NEL TERRENO CONSENTE LA
REALIZZAZIONE DI SCARPATE CON
INCLINAZIONI SUPERIORI A QUELLE
DI “NATURAL DECLIVIO”
1
2
6
7
• muri di sostegno
• spalle di ponte
• rilevati stradali e ferroviari
• protezioni spondali
• argini di contenimento per discariche e depositi
• sostegno di pareti di scavo
• stabilizzazione di pendii naturali
Le Terre Rinforzate: le applicazioni
COME AGISCE IL RINFORZO NEL TERRENO ?
PR = FORZA DI TRAZIONE CHE AGISCE SUL RINFORZO NEI PUNTI DI
INTERSEZIONE TRA LE SUPERFICI DI ROTTURA ED IL RINFORZO STESSO
SENZA RINFORZO
CON
RINFORZO
Ps = Pv tg ϕ'
Ps= Pv tg ϕ' +PR cos θ tg ϕ' + PR sin θ
IL RINFORZO INDUCE UN DUPLICE EFFETTO BENEFICO SUL TERRENO:
PR cos θ=AUMENTA LO SFORZO NORMALE EFFICACE SULLA SUPERFICIE DI
ROTTURA
PR sin θ =RIDUCE L'ENTITA DEGLI SFORZI TANGENZIALI SULLA SUPERFICIE
DI ROTTURA
APPLICAZIONE AL CASO PRATICO DI UNA TERRA RINFORZATA
IL MECCANISMO DESCRITTO PUO’ ESSERE RIPORTATO NEL CASO
PRATICO DI UNA SCARPATA COSTITUITA DA TERRENO GRANULARE IN
ASSENZA D’ACQUA
SENZA
RINFORZO
Ps = P’n tg ϕ'
CON RINFORZO
Ps = Pn tg ϕ' +PR cos θ tg ϕ' + PR sin θ
10
geotessili tessuti
Inclusioni flessibili:
geogriglie
Migliore risposta meccanica del sistema composito terreno + inclusioni dovuta a
tensioni di trazione nelle inclusioni. Il meccanismo di funzionamento è legato
all’attrito che si genera all’interfaccia terreno-rinforzo
Vantaggi:
• adatti anche a terreni con scarse caratteristiche
• costi di trasporto ridotti
Svantaggi:
• non biodegradabili
• creep
• posa in opera semplice e veloce
Aspetti generali
Dreni/Filtri
Terre Rinforzate :
Interventi volti a migliorare la risposta meccanica dei terreni alle
sollecitazioni esterne tramite l’inserimento di inclusioni
11
CLASSIFICAZIONE PER I RILEVATI IN TERRA AASHO - UNI 10006
Indice di gruppo I = 0.2 a + 0.005 a c + 0.01 b d
dove
a, b sono delle % passanti al vaglio 0.074 mm
c, d sono delle % su WL e IP
POLIMERI
Modulo elastico
•Poliestere, PET
•Polipropilene, PP
•Polietilene ad alta densità, HD-PE
•Aramide, Twaron, Kevlar
12
Creep
Aspetti generali
Dreni/Filtri
Terre Rinforzate :
13
Paramento verticale costituito da elementi
prefabbricati in CLS
Serie di elementi murari sovrapposti
Wrap - around
Aspetti generali
Dreni/Filtri
Terre Rinforzate :
Paramenti esterni
14
WRAP – AROUND
Componenti:
•Terreno di riempimento
•Geosintetici
•Paramento esterno sub – verticale
0-30°
•Elemento drenante a tergo
Aspetti generali
Dreni/Filtri
Terre Rinforzate :
15
Componenti:
•Terreno di riempimento
•Geosintetici
•Paramento esterno sub – verticale
•Elemento drenante a tergo
Aspetti generali
Dreni/Filtri
Terre Rinforzate :
Modalità esecutive: esempi
16
17
18
19
20
21
22
SCHEMA BASE
23
sforzo di trazione massimo nel rinforzo
indotto dall’attrito col terreno
La superficie di scorrimento è il
luogo delle massime trazioni e
individua nel terreno due zone
distinte
approssimativamente (comporta errori):
TMAX = K ⋅ σ V ⋅ sv
sv : interasse verticale rinforzi
Tmax
ANALOGIE E CONFRONTI CON ALTRE TECNICHE
24
conseguenze su distribuzione
trazioni sui rinforzi
Chiodatura terre
Aspetti generali
Terra Armata™ / Terra rinforzata Geosintetici
Terre Rinforzate :
spostamenti dovuti a costruzione
top-down e bottom-up
TERRE RINFORZATE CON GEOSINTETICI: VERIFICHE
• Stabilità globale
• Rottura rinforzo
Verifiche di stabilità (SLU):
interne
T
• Perdita di aderenza per
sfilamento/scorrimento diretto ATTRITO
• Paramento (eventuale)
“globali
interne/esterne”
Verifiche di compatibilità spostamenti (SLE)
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
esterne
25
Rottura rinforzo e Perdita di aderenza T,
ATTRITO
EA
CRITERI DI SCELTA GEOSINTETICI : PARAMETRI DI PROGETTO
TDISPONIBILE
TTEST
=
FSID ⋅ FSCR ⋅ FSCD ⋅ FSBD
TMAX ≤ TDISPONIBILE
per funzione di
rinforzo
“DESIGN BY
FUNCTION”
danni
installazione
Es.: RESISTENZA A TRAZIONE
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
26
creep
danneggiamento
chimico e biologico
DIFFERENZE LAB TEST vs. RISPOSTA IN SITO
esterne
interne
Rottura armatura
Scorrimento diretto
Sfilamento (pull-out)
paramento
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
27
TERRE RINFORZATE CON GEOSINTETICI: VERIFICHE
VERIFICHE INTERNE
TMAX ≤ Tds ;po
(Rottura armatura)
(Perdita aderenza)
Coefficiente di
interazione
fds ; fpo
definisce il
meccanismo di
interfaccia
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
TMAX ≤ TDISPONIBILE
TTEST
=
FSID ⋅ FSCR ⋅ FSCD ⋅ FSBD
28
Scorrimento diretto / Pull-out
Pullout
Estrazione del geosintetico
(Sfilamento)
(Attrito Bilaterale)
TMAX ≤ Tds ;po = α ⋅ La ⋅σ V ⋅ f ⋅ tanφ '
= 1
α
= 2
Attrito monolaterale
Attrito bilaterale
Efficienza sistema Terreno – Rinforzo
•
Tipo di meccanismo di collasso (fds e fpo)
•
Tipo di geosintetico
( La : lunghezza ancoraggio)
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
Diretto
Estrazione del geosintetico solidarmente
con il terreno presente sopra (Attrito
Monolaterale)
Scorrimento
Duplice
meccanismo di
collasso
29
Scorrimento diretto / Pull-out
1. Geotessili Tessuti (Maglia Chiusa)
(Jewell et al. 1984)
δ: Angolo di attrito all’interfaccia
ϕ’: Angolo di resistenza al taglio
2. Geogriglie (Maglia Aperta)
(
)
tgδ

f
=
a
⋅
+ 1 − as
s
 ds
tgφ '


'

  ab ⋅ B  1
tgδ
σ
b
 f = as ⋅
+
⋅
⋅


po
'  

tgφ '  σv   2S  tgφ '
0, 6 ≤ fds ≤ 1
fpo può raggiungere valori elevati
(anche >1)
Resistenza Passiva: fenomeno
determinato dalla penetrazione del
terreno all’interno delle maglie della
geogriglia; il terreno esercita, in tal
modo, una reazione sugli elementi
trasversali del geosintetico
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
tan δ
fpo = fds =
≅ 0,6
tan φ '
30
(4)
31
 σb' 
φ '  ( π /2+ φ ') tan φ '

=
°
+
tan
45
 ' 

⋅e
2

 σv 
VERIFICHE “GLOBALI INTERNE/ESTERNE”
Analisi all’equilibrio limite
2.
Definizione del contributo del
rinforzo nel rispetto Tdisp. e
Tds,po
3.
Fattore di sicurezza globale
Terre Rinforzate :
1.
“diagramma di
resistenza” del rinforzo
Aspetti generali
32
33
Opera di “mascheramento”
Inserire immagine di dettaglio
34
Ux/H (fixed end )
1.0
Ux/H (free end)
0.8
H=9 m
Y/H
0.6
0.4
0.2
0.0
0.00
0.05
0.10
Ux/H (%)
0.15
0.20
Spostamenti orizzontali
(a) Fixed end
(b) Free end
Tmax/Tf (fixed end )
Tmax/Tf (free end)
0.8
H=9 m
Massime trazioni
(a) Fixed end
(b) Free end
1.0
35
Y/H
0.6
0.4
0.2
0.0
0.00
0.10
0.20
Tmax/Tf
0.30
0.40
(a)
(b)
Rilevato – rinforzo alla base
36
rilevato
37
38
39
40
41
42
43
44
45
Failure above reinforcements
Interlayer failure (pull-out or direct
sliding of reinforcement)
Interlayer failure (Reinforcement
overstressing)
Punching failure
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
46
V
Geogriglia 1-L=2B n=2 strati
RINFORZATO
0,35
L=2B 2
strati
H/VM,NR
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
Dominio
non
rinforzato
NON
RINFORZATO
0,05
(Berardi e Bovolenta, 2010)
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
0,00
0,00
1,00
2,00
V/VM,NR
3,00
H
i.
Una terra rinforzata con geosintetici va progettata
cercando di sfruttare in modo ottimale le risorse di
resistenza di entrambi i materiali (terreno e rinforzo)
ii.
Importante è anche la valutazione degli spostamenti
attesi, per necessità normative e per funzionalità opera.
iii. L’approccio è praticabile con metodi numerici.
iv. Fondamentale è la valutazione dei parametri di progetto
del sistema composito terreno-inclusione.
Verifiche di compatibilità spostamenti (SLE)
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
EA
47
COMPATIBILITA’ DEGLI SPOSTAMENTI (SLE)
COMPATIBILITA’ DEFORMATIVA
τ
φ’P
Comportamento
dilatante
• Angolo di resistenza al
taglio φ’
φ’cv
• Rigidezza (E o G)
ε
T
Rinforzo:
Tlim
• rigidezza assiale EA
• materiale
EA
• geometria
ε
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
Terreno grana grossa denso:
48
49
CURVE TRAZIONE-DEFORMAZIONE
T
EA =
ε
GG ELEVATA RIGIDEZZA (“HS”)
GG BASSA RIGIDEZZA (“LS”)
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
50
T
EA =
ε
2000
1500
stiffness EA (kN/m)
1750
EG
HS
1250
HT
LS
1000
750
500
250
0
0
2
4
6
8
10
12
strain (%)
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
14
ibile
n
o
p
a dis rzo)
z
r
o
F
fo
(Rin
F
esta
i
h
c
i
ar
Forz rreno)
(Te
Curva di compatibilità
deformativa
Feq
εeq
ε
Si raggiunge l’equilibrio quando la forza richiesta per
rendere stabile il terreno uguaglia la forza
disponibile offerta dal rinforzo
OBIETTIVI:
• Deformazione omogenea del
materiale “composito”
• Spostamenti accettabili dell’opera
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
51
ibile
n
o
p
a dis rzo)
z
r
o
F
fo
(Rin
F
esta
i
h
c
i
ar
Forz rreno)
(Te
EA
Feq
εeq
> εeq
ε
Curva di compatibilità
deformativa
Si raggiunge l’equilibrio quando la forza richiesta per
rendere stabile il terreno uguaglia la forza
disponibile offerta dal rinforzo
La rigidezza EA del rinforzo condiziona
il livello deformativo atteso e la scelta
dei parametri di resistenza del terreno
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
52
53
Case history: Rilevato (GW8)
Analisi Plaxis
I livelli
deformativi
massimi tipici
dell’esercizio
sono
generalmente
< 2-3%
Rilevamenti estensimetrici
6
5
4
z [m] 3
2
1
0
0,0%
0,5%
1,0%
1,5%
ε
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
2,0%
2,5%
3,0%
picco
DEFORMAZIONI MASSIME NEI RINFORZI
54
• Scelta valore angolo di resistenza al taglio φ’
• Scelta valore EA
1-3
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
• Scelta valore Rigidezza (E o G)
COMPATIBILITA’ DEFORMATIVA: Es. MODELLAZIONE
NUMERICA FEM (PLAXIS)
Terreno 2: parametri propri di condizioni
prossime a quelle “residue” φ’ = φ’ cv
GG elevata rigidezza (“HS”)
GG bassa rigidezza (“LS”)
• Fase di calcolo:
- Deformazioni dei rinforzi ε
- Spostamenti del
paramento Ux e Uy
Terre Rinforzate :
Terreno 1: parametri propri di una
condizione di “picco” φ’ = φ’ P
Y
Aspetti generali
55
Casi di studio: spostamenti orizzontali del paramento
56
(Berardi e Pinzani, 2008)
Ux / H
• 1-3 % Terreno 1
• 6-8 % Terreno 2
Ux > 60 cm
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
Confronto a parità di rinforzo: GG LS
Casi di studio: spostamenti orizzontali del paramento
57
Ux / H
• 0.4% GW12
• 0.6% GW11’
• 0.8% GW13
Sempre con
Terreno 1
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
Ux < 6 cm
Confronto a parità di rinforzo: GG HS
58
Casi di studio: deformazioni orizzontali
ε [%]
• 2-4% Terreno 1
• 4-8% Terreno 2
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
Confronto a parità di rinforzo: GG LS
59
Casi di studio: deformazioni orizzontali
ε [%]
• 0.4% GW12
• 0.6% GW11’
• 0.8% GW13
Sempre con
Terreno 1
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
Confronto a parità di rinforzo: GG HS
60
Casi di studio: trazioni nei rinforzi
LS
HS
I valori medi ottenuti sono concordi con quelli forniti dalle curve trazionedeformazione delle geogriglie per le rigidezze EA assunte
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
“stress ratio” Tmax / Tlim dei rinforzi:
61
CURVE TRAZIONE-DEFORMAZIONE
T
EA =
ε
GG ELEVATA RIGIDEZZA (“HS”)
GG BASSA RIGIDEZZA (“LS”)
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
62
Casi di studio: conclusioni
• Compatibilità con terreni caratterizzati da parametri prossimi a quelli
“ultimi”.
• Occorre una deformazione notevole per mobilitare uno sforzo di
trazione sufficiente a conferire stabilità al rilevato.
• Spostamenti inaccettabili per esercizio
Rinforzo ad alta rigidezza (HS, EA > 1000 kN/m):
• Compatibilità con terreni caratterizzati da parametri di “picco”.
• È sufficiente una deformazione molto ridotta per indurre uno sforzo di
trazione sufficiente a conferire stabilità al rilevato.
• In tutti i casi affrontati gi spostamenti sono alquanto limitati (< 6 cm), con
un ampio margine di sicurezza rispetto alle condizioni limite.
Aspetti generali
Terre Rinforzate :
Rinforzo a bassa rigidezza (LS - EA ≈ 300 kN/m):
63
Casi di studio: conclusioni
• Dalle analisi svolte si può evincere che la rigidezza assiale EA del rinforzo sia
un parametro fondamentale nella scelta del tipo di geogriglia da adottare. I
casi affrontati confermano che al crescere della EA si riducono sia gli
spostamenti orizzontali del paramento che le deformazioni assiali dei
rinforzi.
• Il comportamento deformativo del terreno dipende invece dai suoi
parametri di resistenza, in modo particolare dall’angolo di resistenza al
taglio φ’.
• Il comportamento del materiale “composito” finale è influenzato da
entrambe le componenti che lo costituiscono (terreno e rinforzo) e dalle
modalità con cui esse interagiscono.
Il criterio della compatibilità deformativa risulta quindi un utile
approccio progettuale per individuare l’insieme terreno-rinforzo
ottimale al fine di stabilizzare un’opera in Terra Rinforzata.
Aspetti generali
Terre Rinforzate :

9 PGDT - Geosintetici RINFORZO-per dispense

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