COMPORTAMENTO DI PALI A VITE DI PICCOLO DIAMETRO SOGGETTI

A CARICHI ORIZZONTALI

Alex Sanzeni Università degli Studi di Brescia, DICATAM

alex.sanzeni@unibs.it

Francesco Colleselli Università degli Studi di Brescia, DICATAM

francesco.colleselli@unibs.it

Sommario

I pali a vite di piccolo diametro offrono una soluzione tecnica efficiente ed economica per la costruzione di strutture di vario tipo nel campo dell’edilizia e delle opere stradali, grazie alla rapidità ed economicità di installazione. Tra le applicazioni più ricorrenti vi sono barriere fonoassorbenti, guard rails, illuminazione stradale, impianti fotovoltaici. I pali sono costituiti da elementi tubolari di acciaio zincato, equipaggiati con una o più eliche in corrispondenza della punta, allo scopo di favorirne l’installazione, hanno generalmente lunghezza compresa tra 1,5 m e 5,0 m e diametro compreso tra 76 mm e 406 mm. In alcuni casi, specialmente quando i carichi assiali sono modesti se confrontati con i carichi trasversali, il palo può essere realizzato assemblando elementi tubolari di diverso diametro allo scopo di migliorare la resistenza ai carichi trasversali e al contempo, facilitare l’installazione. La presente memoria affronta il tema del comportamento dei suddetti pali soggetti all’applicazione di carichi orizzontali e illustra il confronto tra i risultati di alcune prove sperimentali e la simulazione delle stesse mediante un codice di calcolo che implementa il metodo alle differenze finite.

1. Comportamento di pali a vite soggetti a carichi assiali e trasversali

In letteratura sono disponibili numerosi studi di carattere sperimentale e teorico riguardo alla risposta di pali (o ancoraggi) a vite sottoposti a carichi assiali di compressione e trazione (Das, 1978, 1980; Narasimha et al., 1991, Merifield, 2011; Simoni, 2012); la stima del carico limite assiale può essere condotta formulando alcune ipotesi circa il probabile meccanismo di rottura, in funzione del rapporto "diametro delle eliche/distanza tra le eliche" lungo il fusto, e del rapporto "diametro dell'elica/distanza dell'elica dal piano campagna" (per ancoraggi o pali soggetti a carichi assiali di trazione). Per quanto riguarda invece il comportamento di pali a vite soggetti a carichi trasversali, vi sono solo alcuni studi che tentano di quantificare l'effetto delle eliche sulla resistenza del palo (Prasad e Rao, 1996; Sakr, 2009; Seider e Chisholm, 2012). Va tuttavia sottolineato che, concordemente con quanto riportato da Sakr (2009), se le eliche sono posizionate in corrispondenza della punta del palo allo scopo di favorirne l'infissione nel terreno, il contributo di questi elementi alla portata laterale non può che essere ritenuto poco significativo. Tra i metodi più diffusi per la stima del carico limite di pali soggetti a carichi orizzontali (trasversali), la teoria di Broms (1965) ipotizza il terreno e il palo come mezzi con comportamento perfettamente plastico, palo con diametro costante lungo il fusto e terreno di fondazione omogeneo. Tale metodo non consente di descrivere la risposta del sistema palo-terreno prima della rottura e inoltre non è applicabile a casi di terreno stratificato o palo con sezione variabile. D'altro canto, lo studio del comportamento dei pali sollecitati da carichi orizzontali è un classico problema di interazione terreno-struttura. Il metodo più diffuso per lo studio del comportamento di un palo caricato lateralmente,

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nell'ipotesi di comportamento non lineare del terreno, è il cosiddetto metodo "p-y" (p = pressione, y = spostamento), sviluppato da Reese e collaboratori tra il 1960 e il 1980, che perviene a una soluzione alle differenze finite dell'equazione generale della linea elastica.

2. Pali a vite in acciaio zincato

È stata condotta una indagine sperimentale sul comportamento di pali a vite soggetti a carichi assiali e trasversali. La presente nota riporta le considerazioni svolte riguardo al comportamento dei pali sottoposti ai soli carichi trasversali e, per brevità, si discute l’esito di tre prove di carico in vera grandezza eseguite in due siti di prova ubicati in provincia di Verona. I tre pali sono riconducibili a due modelli, nel seguito denominati “lux” e “cargo”. I modelli “lux” sono stati ideati per l’installazione di impianti di illuminazione stradale, sono costituiti da un “box” cilindrico (nel quale è prevista l’installazione dell’elemento di illuminazione), collegato mediante raccordo troncoconico a un spezzone di tubolare, all’estremità opposta del quale sono saldate una o più eliche per consentire l’infissione del palo per rotazione e spinta. Tale prototipo di palo è stato testato in due taglie di lunghezza 1,3 e 1,8 m, diametro del box di 219 mm e 406 mm, e lunghezza del box di 500 e 800 mm rispettivamente. Il prototipo di palo “cargo”, ideato come elemento di fondazione di strutture leggere e di barriere fonoassorbenti, è costituito da due porzioni: quella superiore (lunghezza 1500 mm) è realizzata con un elemento tubolare con diametro di 219 mm; quella inferiore (lunghezza 850 mm) è realizzata con un tubolare di diametro 76 mm; i due elementi sono uniti da un raccordo troncoconico di lunghezza 500 mm (Fig. 1).

3. Prove sperimentali e analisi numeriche

Le prove di carico sui pali precedentemente descritti sono state eseguite in due campi prova in provincia di Verona: Gazzo Veronese e Bovolone. Nel campo prova di Gazzo Veronese il terreno di fondazione è costituito da uno strato superficiale prevalentemente argilloso con spessore di circa 0,6÷0,8 m e resistenza non drenata cu pari a circa 70 kPa; successivamente sono presenti terreni prevalentemente sabbiosi mediamente addensati, con angolo di resistenza al taglio pari a circa 36°. La falda è stata individuata a circa 1,6÷1,8 m da p.c. Nel sito di Bovolone la prova di carico illustrata in questa nota è stata eseguita in un cumolo di sabbia da sciolta a mediamente addensata posto sopra il piano campagna e di altezza pari a 3,5 m, sabbia caratterizzata da un angolo di resistenza al taglio di circa 31÷33°. L’installazione dei pali tipo “lux”, presso il sito di Gazzo Veronese, è avvenuta in accordo con la seguente procedura: i) esecuzione di uno scavo di sbancamento con benna fino a circa 0,6 m di profondità da p.c.; ii) infissione del palo con avvitatore; iii) riempimento e dello spazio tra palo e scavo con il terreno di sbancamento. Diversamente, l’installazione del palo tipo “cargo”, presso il sito di Bovolone, è avvenuta per rotazione dopo aver eseguito un preforo con trivella con medesimo diametro del palo. Le prove di carico sono state eseguite per incrementi di carico successivi, suddivisi in due cicli; la misura degli spostamenti è stata condotta utilizzando un calibro per la misura dello spostamento orizzontale (“deflection”) della sommità del palo. Le simulazioni numeriche delle prove di carico sono state condotte con il programma di calcolo LPILE prodotto dalla società Ensoft Inc. (Austin, Texas) che implementa il metodo delle curve “p-y” risolvendo le equazioni di interazione palo-terreno alle differenze finite. Il programma di calcolo consente di descrivere compiutamente le caratteristiche geometriche e strutturali del palo, la stratigrafia e le proprietà meccaniche dei terreni di fondazione, e dispone di diverse leggi costitutive che permettono di generare le curve p-y per ciascuna unità geotecnica. Il programma consente di simulare una prova di carico applicando progressivamente varie combinazione di carichi (solo carico monotono crescente) e di ottenere l’andamento della deformata del palo, delle sollecitazioni di momento e taglio e della pressione del terreno lungo il fusto in funzione del carico applicato. Inoltre, il

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programma è in grado di eseguire un’analisi tipo “pushover” che consente di definire il carico limite del sistema palo-terreno.

a) b) c)

d) “lux”

e) “cargo”

Fig. 1. Prototipi di palo: a) e b) palo tipo “lux”; c) palo tipo “cargo”; d), e) caratteristiche geometriche pali

Nelle seguenti Figure 2, 3 e 4 si illustrano il confronto tra prove sperimentali e simulazioni numeriche in termini di spostamento della testa del palo e il risultato dell’analisi pushover per la stima del carico limite del sistema palo-terreno a confronto con la stima del carico limite ottenuta applicando, con opportune considerazioni semplificative, la teoria di Broms.

Modello “Atlantech Lux Medium”

L

[mm]

D

[mm]

��

[mm]

Spessore

box

[mm]

��

[mm]

Spessore

raccordo

[mm]

��

[mm]

��

[mm]

Spessore

corpo vite

[mm]

��

[mm]

P

[mm]

1805 406 805 4 160 3 76,1 900 4 150 60

Modello “Atlantech Lux Short”

1305 219 505 3 130 3 60,3 720 3 120 60

Modello “Cargo Ecobuilding EB 219X3000 con flangia a cappello”

L [mm] 3000

�� [mm] 1500

D [mm] 219,1

Spessore tubo vite superiore [mm] 4

�� [mm] 500

Spessore raccordo [mm] 4

�� [mm] 850

�� [mm] 76,1

Spessore tubo vite inferiore [mm] 4

�� [mm] 200

�� [mm] 150

P [mm] 50

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a)

b)

Fig. 2. Paolo tipo “lux medium”: a) confronto tra risultati prova di carico e simulazioni numeriche; b) confronto tra risultati

analisi pushover e stima carico limite mediante la teoria di Broms

a)

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Car

ico

[kN

]

Spostamenti laterali testa del palo [mm]

prova in sito, primo ciclo di carico

prova in sito, secondo ciclo di carico

LPILE, parametri geotecnici del terreno indisturbato

LPILE, parametri geotecnici ridotti

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Car

ico

[kN

]

Spostamenti laterali testa del palo [mm]

prova in sito, primo ciclo di caricoprova in sito, secondo ciclo di caricoLPILE, parametri geotecnici del terreno indisturbatoLPILE, parametri geotecnici ridotti

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b)

Fig. 3. Palo tipo “lux short”: a) confronto tra risultati prova di carico e simulazioni numeriche; b) confronto tra risultati

analisi pushover e stima carico limite mediante la teoria di Broms

a)

b)

Fig. 4. Palo tipo “cargo”: a) confronto tra risultati prova di carico e simulazioni numeriche; b) confronto tra risultato

analisi pushover e stima carico limite mediante la teoria di Broms

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Car

ico

[KN

]

Spostamenti laterali testa del palo [mm]

prova in sito, primo ciclo di caricoprova in sito, secondo ciclo di caricoLPILE

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Nel caso dei prototipi di palo tipo “lux”, installati presso il sito di Gazzo Veronese, le simulazioni numeriche condotte utilizzando i parametri geotecnici del terreno indisturbato hanno condotto a una significativa sovrastima della rigidezza del sistema palo-terreno rispetto a quanto osservato durante le prove di carico e, al contempo, a una sovrastima del valore di carico limite. Per simulare correttamente l’esito delle prove sperimentali è stato necessario ridurre in modo significativo (circa il 70%) i parametri geotecnici dello strato di terreno coesivo superficiale (tra p.c. e 0,6÷0,8 m) per tenere conto del disturbo provocato dallo scavo di sbancamento precedente l’installazione del palo. Nel caso del prototipo tipo “cargo, infisso in un cumulo di sabbia presso il sito di Bovolone, è stato possibile simulare l’esito della prova di carico senza alterare i parametri geotecnici, consistentemente con una più accorta procedura di installazione (preforo con trivella del medesimo diametro del palo). In tutte le prove esaminate, il comportamento dei pali è risultato del tipo “flessibile”, ossia la rottura del sistema palo-terreno si manifesta con l’insorgere di una cerniera plastica lungo il palo, tipicamente nella porzione di fusto realizzata con l’elemento di tubolare di diametro minore (76 mm). In tutti i casi esaminati, la stima del carico limite condotta applicando la teoria di Broms, pur introducendo alcune considerazioni semplificative riguardo al comportamento “flessibile” del palo, al valore del momento plastico resistente e alla resistenza del terreno, ha condotto a una significativa sottostima del carico limite del sistema palo-terreno. In ultima analisi le simulazioni numeriche si sono dimostrate un valido strumento per comprendere il comportamento dei prototipi e l’importanza della fase di installazione e per suggerire utili spunti per il miglioramento dei prodotti.

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano: la ditta Ecobuilding srl per aver supportato lo studio e aver fornito i risultati delle prove per la caratterizzazione geotecnica dei siti di prova e i risultati delle prove di carico; l’Ing. Paolo Crescini (VR) per la collaborazione durante le fasi iniziali dello studio, il Dott. Diego Panizza per lo svolgimento delle analisi numeriche.

Bibliografia

Broms B.B. (1965). “Design of laterally loaded piles”. Proc. ASCE, Journ. Soil Mech. Found. Div., Vol. 91, SMM, 79-99.

Das B.M. (1980). “A procedure for estimation of ultimate capacity of foundation in clay”, Soils and

Foundations, Vol. 20, no. 1, 77-82.

Merifield R.S (2011). “Ultimate uplift capacity of multiplate helical type anchors in clay”, Journal of

Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 137, 704-716.

Narasimha Rao S., Prasad Y.V.S.N., Shetty M.D. (1991). The Behavior of Model Screw Piles in Cohesive Soils. Soils and Foundations, Vol. 31, no. 2, 35-50.

Prasad Y.V.S.N., Rao S. (1996). “Lateral capacity of helical piles in clay”, Journal of Geotechnical and

Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 122, 938-941.

Sakr M. (2009). “Performance of helical piles in oil sand”, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 46, 1046-1061.

Seider G., Chisholm J. (2012). “Lateral capacity of helical piles – actual vs. theoretical foundations for solar power plants”. GeoCongress 2012, Oakland, California, 315-325.

Simoni G. (2012). “Resistenza a sfilamento di ancoraggi multipli e ad elica in terreni coesivi in condizioni non drenate”. Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2012- IARG 2012, Padova, 2-4 luglio 2012.