9 PGDT - Geosintetici RINFORZO-per dispense
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9 PGDT - Geosintetici RINFORZO-per dispense
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 Aspetti generali Terre Rinforzate : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 TERRE RINFORZATE CON GEOSINTETICI 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 : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio Interventi volti a migliorare la risposta meccanica dei terreni alle sollecitazioni esterne tramite l’inserimento di inclusioni 11 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio •Poliestere, PET •Polipropilene, PP •Polietilene ad alta densità, HD-PE •Aramide, Twaron, Kevlar 12 Creep Aspetti generali Dreni/Filtri Terre Rinforzate : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa TERRE RINFORZATE CON GEOSINTETICI 13 Paramento verticale costituito da elementi prefabbricati in CLS Serie di elementi murari sovrapposti Wrap - around Aspetti generali Dreni/Filtri Terre Rinforzate : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio Paramenti esterni R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 14 WRAP – AROUND Componenti: •Terreno di riempimento •Geosintetici •Paramento esterno sub – verticale 0-30° •Elemento drenante a tergo Aspetti generali Dreni/Filtri Terre Rinforzate : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 15 Componenti: •Terreno di riempimento •Geosintetici •Paramento esterno sub – verticale •Elemento drenante a tergo Aspetti generali Dreni/Filtri Terre Rinforzate : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio Modalità esecutive: esempi 16 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 17 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 18 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 19 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 20 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 21 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 Aspetti generali Terre Rinforzate : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 : R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio esterne 25 Rottura rinforzo e Perdita di aderenza T, ATTRITO EA 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa CRITERI DI SCELTA GEOSINTETICI : PARAMETRI DI PROGETTO TDISPONIBILE TTEST = FSID ⋅ FSCR ⋅ FSCD ⋅ FSBD TMAX ≤ TDISPONIBILE R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa esterne interne Rottura armatura Scorrimento diretto Sfilamento (pull-out) paramento Aspetti generali Terre Rinforzate : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa 27 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio tan δ fpo = fds = ≅ 0,6 tan φ ' 30 (4) 31 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 1. “diagramma di resistenza” del rinforzo Aspetti generali 32 33 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio Opera di “mascheramento” Inserire immagine di dettaglio Opera di “mascheramento” 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 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio Spostamenti orizzontali (a) Fixed end (b) Free end Opera di “mascheramento” Tmax/Tf (fixed end ) Tmax/Tf (free end) 0.8 H=9 m Massime trazioni (a) Fixed end (b) Free end R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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) R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio Rilevato – rinforzo alla base 36 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio rilevato 37 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 38 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 39 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 40 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 41 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 42 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 43 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 44 TERRE RINFORZATE CON GEOSINTETICI 45 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio Failure above reinforcements Interlayer failure (pull-out or direct sliding of reinforcement) Interlayer failure (Reinforcement overstressing) Punching failure Aspetti generali Terre Rinforzate : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa TERRE RINFORZATE CON GEOSINTETICI 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 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa 3,00 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa 47 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio Terreno grana grossa denso: 48 49 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio CURVE TRAZIONE-DEFORMAZIONE T EA = ε GG ELEVATA RIGIDEZZA (“HS”) GG BASSA RIGIDEZZA (“LS”) Aspetti generali Terre Rinforzate : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa 50 T EA = ε 2000 1500 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa 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 : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa 51 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio COMPATIBILITA’ DEFORMATIVA 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 : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa 52 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio COMPATIBILITA’ DEFORMATIVA 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 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio DEFORMAZIONI MASSIME NEI RINFORZI COMPATIBILITA’ DEFORMATIVA 54 • Scelta valore angolo di resistenza al taglio φ’ • Scelta valore EA 1-3 Aspetti generali Terre Rinforzate : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio • 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 : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio Confronto a parità di rinforzo: GG LS Casi di studio: spostamenti orizzontali del paramento 57 (Berardi e Pinzani, 2008) Ux / H • 0.4% GW12 • 0.6% GW11’ • 0.8% GW13 Sempre con Terreno 1 Aspetti generali Terre Rinforzate : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa Ux < 6 cm R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio Confronto a parità di rinforzo: GG HS 58 Casi di studio: deformazioni orizzontali (Berardi e Pinzani, 2008) ε [%] • 2-4% Terreno 1 • 4-8% Terreno 2 Aspetti generali Terre Rinforzate : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio Confronto a parità di rinforzo: GG LS 59 Casi di studio: deformazioni orizzontali (Berardi e Pinzani, 2008) ε [%] • 0.4% GW12 • 0.6% GW11’ • 0.8% GW13 Sempre con Terreno 1 Aspetti generali Terre Rinforzate : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio Confronto a parità di rinforzo: GG HS 60 Casi di studio: trazioni nei rinforzi (Berardi e Pinzani, 2008) 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 : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio “stress ratio” Tmax / Tlim dei rinforzi: 61 R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio CURVE TRAZIONE-DEFORMAZIONE T EA = ε GG ELEVATA RIGIDEZZA (“HS”) GG BASSA RIGIDEZZA (“LS”) Aspetti generali Terre Rinforzate : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa 62 Casi di studio: conclusioni (Berardi e Pinzani, 2008) • 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 : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio 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 : 1.Stabilità 2.Compatibilità deformativa R.Berardi - Progettazione Geotecnica Difesa Territorio (Berardi e Pinzani, 2008)