Adeguamento sismico delle costruzioni con micropali iniettati

L’adeguamento sismico delle costruzioni esistenti, soprattutto per il nostro Paese, che presenta un elevato rischio sismico, è di grande attualità. L’impiego dei micropali iniettati per il consolidamento delle fondazioni nell’ambito degli interventi di adeguamento sismico, grazie anche alla facilità di posa all’interno degli edifici ed in spazi limitati, permette di ottenere dei risultati altrimenti difficilmente raggiungibili.
La nota illustra le modalità costruttive, le caratteristiche tecnologiche, alcune applicazioni ed i risultati ottenibili in termini di riduzione dei cedimenti con l’impiego dei micropali iniettati in terreni suscettibili di liquefazione.

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Introduzione

Molte volte i sistemi tecnologici innovativi si impongono definitivamente ed ottengono sviluppi operativi significativi sulla base di osservazioni condotte su scala reale a seguito di eventi naturali diversamente non riproducibili con l’adeguata precisione e significatività né in laboratorio né mediante soluzioni analitiche e/o modelli numerici. Nello specifico, la potenzialità dei micropali iniettati di qualità nel miglioramento sostanziale della risposta sismica delle fondazioni profonde e delle strutture ad esse collegate è emersa in modo evidente e definitiva a seguito di approfondite osservazioni post sisma eseguite in corrispondenza di eventi catastrofici.
Nel 1995, in seguito al sisma che ha colpito l’area di Kobe, Giappone, le osservazioni e le analisi effettuate sulle fondazioni danneggiate, hanno evidenziato ad esempio la migliore resistenza nei confronti delle azioni sismiche dei pali di piccolo diametro rispetto a quelli di grande diametro e l’ottimo comportamento dei pali che lavoravano per attrito laterale.
Le osservazioni condotte sia nel 1989 dopo il sisma di Loma Prieta, San Francisco California, come pure nel 1995 a Kobe, hanno palesato inoltre che i danni subiti dalle strutture fondate su pali inclinati sono stati significativamente inferiori a quelli subiti dalle strutture fondate su gruppi di pali verticali.
I rilievi post sisma effettuati dalla Ischebeck in Cile nel 2010 a Santiago de Cile ed a Conceptión su strutture realizzate con i propri micropali iniettati hanno infine certificato l’eccellente comportamento degli stessi nei confronti delle azioni sismiche.
I micropali iniettati sono pali armati di piccolo diametro, inferiore ai 300 mm, la cui posa è caratterizzata dall’iniezione di una sospensione di cemento eseguita a pressione. La posa avviene con perforazione diretta utilizzando come asta di perforazione la barra cava che poi rimarrà in opera come armatura, una punta di perforazione a perdere (scelta in funzione del tipo di terreno) ed iniettando attraverso il cavo della barra ed i fori della punta di perforazione una sospensione acqua/cemento che sostiene il foro senza bisogno di utilizzare un tubo di rivestimento (camicia/casing). Ossia, in un’unica fase si realizza il foro di perforazione, s’inserisce l’armatura e si esegue l’iniezione di sostegno del foro. Le barre, disponibili in diversi diametri, si possono tagliare a misura secondo le necessità e vengono collegate per mezzo di manicotti di giunzione. I valori di aderenza laterale tra il corpo d’iniezione ed il terreno, per i micropali iniettati, grazie alle particolarità della realizzazione, sono superiori a quelli dei micropali e pali non iniettati. La tecnica di posa permette di:

• Migliorare le proprietà meccaniche del terreno;
• Ottenere un’elevata connessione a taglio tra il corpo d’iniezione e il terreno stesso;
• Diminuire i cedimenti in corrispondenza della testa del palo;
• Aumentare notevolmente la velocità di esecuzione.

Micropalo iniettato Ischebeck TITAN

Fig.1. Micropalo iniettato TITAN

Nella Fig.1 è illustrato il micropalo iniettato con punta di perforazione, centratore, manicotto di giunzione e la costruzione della testa del palo nel getto in c.a. comprendente tubo in HD-PE, piastra di testa e due dadi a sfera posizionati rispettivamente al di sotto e al di sopra della piastra.Il micropalo iniettato Ischebeck TITAN è omologato dal Deutsches Institut für Bautechnik con validità anche in Italia per l’impiego permanente per carichi di compressione, trazione e alternati. L’impiego sia per sollecitazioni di compressione che di trazione e anche per carichi alternati è possibile grazie al particolare manicotto di giunzione provvisto di anello centrale in acciaio dotato di guarnizioni.La qualità è assicurata per tutti i componenti, dalla testa del palo costituito dalla piastra di testa ed i due dadi sferici, fino all’estremità inferiore del palo costituita dalla punta di perforazione.Il corpo d’iniezione, oltre a trasmettere per attrito laterale i carichi al terreno, grazie alle caratteristiche dell’acciaio da costruzione a grano fine S 460 NH e della particolare filettatura / nervatura da c.a. continua, con l’impiego dei distanziatori, funge anche da copriferro in cemento per l’elemento portante in acciaio e costituisce una protezione permanente dalla corrosione secondo quanto prescritto dalle NTC 2018 a garanzia della durabilità delle strutture.La filettatura / nervatura TITAN, che rispetta le prescrizioni dell’EC 2, con un’area relativa di nervatura fR di valore compreso, in funzione del diametro delle barre, tra 0,21 e 0,33 (a fronte di un minimo richiesto per il tondino da c.a. di 0,056) e le superfici inclinate di 45°, permettono di ottenere un’ottimale connessione a taglio con il corpo d’iniezione in cemento, di ridurre gli sforzi di sfaldatura e di limitare l’ampiezza delle microfessurazioni nel cemento, per il carico massimo, a valori inferiori ai richiesti 0,1 mm per la verifica della protezione permanente dalla corrosione.

Il micropalo iniettato è un elemento strutturale composito costituito da acciaio e cemento e, come per gli elementi strutturali in calcestruzzo armato, è necessario che la qualità dell’acciaio impiegato sia compatibile per lavorare assieme al cemento, ossia, per la tensione caratteristica di snervamento f_yk, deve aversi 400 N/mm² ≤ fyk ≤ 600 N/mm² come previsto dall’EC 2 per gli acciai da costruzione.
La foto della sezione del micropalo iniettato, riportata nella Figura 2, permette di distinguere la particolare filettatura della barra, la connessione tra la barra d’armatura ed il corpo d’iniezione e la connessione tra il corpo d’iniezione ed il terreno.
Grazie alla tecnica di posa e all’impiego di macchinari di dimensioni e peso ridotti è possibile operare con facilità in condizioni di spazio ristretto e all’interno di edifici esistenti.
La fase di perforazione diretta, in funzione delle modalità di posa, può inoltre essere seguita da un’iniezione dinamica mediante la quale è possibile ottenere un aumento del diametro del corpo di iniezione.
Questa tecnologia che si è affermata a livello mondiale, è stata sviluppata nel corso degli ultimi 30 anni ed è impiegata, oltre che per la realizzazione di micropali per fondazioni e sottofondazioni, anche per la realizzazione di ancoraggi di strutture di sostegno, per consolidamenti di scarpate e pendii, per le chiodature dei terreni e per la costruzione ed il risanamento di gallerie.

Micropali e Pali di fondazione – MP

Applicazioni

Importanti adeguamenti sismici sono stati eseguiti in tutto il mondo su costruzioni ed edifici di diverse dimensioni e caratteristiche strutturali adottando diverse soluzioni che hanno visto l’impiego dei micropali iniettati in combinazione all’uso di isolatori sismici, di dissipatori e di rinforzi della struttura della costruzione.

Fig 3. Capitol, Salt Lake City, Modello 3D

Negli Stati Uniti, il Capitol, uno degli storici edifici in arenaria dello Utah, simbolo di Salt Lake City, costruito all’inizio del secolo scorso in una regione ad alta sismicità, è stato adeguato sismicamente nel 2008 ricostruendo le fondazioni e combinando l’impiego di 265 isolatori sismici con quello di circa 3.400 micropali iniettati TITAN. In fase progettuale è stato deciso l’utilizzo di un maggiore numero di micropali di piccolo diametro inclinati in luogo di un minore numero di pali di diametro superiore, sia per permettere la posa degli stessi all’interno dell’edificio in condizioni di spazio limitato che per ottenere una distribuzione delle sollecitazioni tra un numero maggiore di elementi. Tale soluzione, oltre ad essere tecnicamente la più valida, è risultata essere anche la più economica.

In Italia, un interessante intervento in corso di completamento è l’adeguamento sismico conseguente anche al passaggio da classe III a IV, della nuova sede della Prefettura dell’Aquila. L’edificio situato all’interno della zona rossa della città, nonostante il buon comportamento della struttura portante, è risultato inagibile in seguito ai danni provocati dal sisma del 6 aprile 2009. La costruzione (base 28 x 40 m, altezza 26 m, 6 piani fuori terra, 1 seminterrato e 1 interrato) realizzata nella metà del secolo scorso, ha una struttura portante composta da telai in calcestruzzo armato. L’intervento di adeguamento sismico, realizzato in base al progetto strutturale della S.I.GE.S. S.r.l. di Povegliano (TV), ha comportato l’inserimento, all’interno della struttura, di controventi metallici provvisti di 144 dissipatori isterici ad instabilità impedita, rinforzando alcuni pilastri ed alcune travi con fibre di carbonio ed utilizzando per il rinforzo delle fondazioni e per ancorare i telai circa 100 micropali iniettati TITAN lunghi dai 9 ai 12 m che hanno in questo caso la funzione di resistere alle elevate trazioni che si svilupperebbero alla base dei setti di controventamento in caso di evento sismico. I micropali iniettati sono stati realizzati all’interno del piano interrato perforando la fondazione esistente e sono stati scelti in fase di progettazione vista anche l’esigenza di eseguire la posa a pochi centimetri dai muri esistenti e quella di raggiungere il piano di posa con attrezzature di perforazione di piccolo ingombro e peso limitato.
Un esempio di miglioramento sismico è invece quello previsto dal progetto dell’ing. G. Magrini di Jesi per la scuola media E. Fermi di Castelplanio (AN), edificio con telaio in calcestruzzo armato, inagibile in seguito a cedimenti strutturali, eseguito nel 2012 rinforzando la struttura esistente mediante la realizzazione di alcuni nuovi setti interni in calcestruzzo armato e rinforzando le fondazioni posando all’interno dell’edificio dei gruppi di micropali iniettati TITAN inclinati (in totale circa 130 micropali).

Comportamento dei micropali nei confronti delle azioni sismiche

L’interazione suolo-micropalo-struttura è un importante aspetto da considerare nella progettazione dei micropali soggetti a sollecitazioni sismiche. L’accelerazione trasmessa alla struttura può indurre forze inerziali che possono danneggiare la testa del micropalo.
Grazie alla particolare tecnica di posa dei micropali iniettati di qualità, vengono raggiunti elevati valori di aderenza laterale e si ha il completo riempimento del volume perforato con la conseguente ottima connessione micropalo-terreno. Ciò permette di limitare a valori minimi gli spostamenti relativi tra il corpo d’iniezione e il terreno, di trasferire allo stesso un’elevata percentuale delle sollecitazioni e di contenere le deflessioni ed i momenti flettenti in corrispondenza delle teste dei micropali che tendono invece ad amplificarsi qualora ci sia separazione tra il corpo d’iniezione e il terreno.
Analisi agli elementi finiti applicate a gruppi di micropali verticali ed inclinati sollecitati con carichi dinamici hanno evidenziato nei due casi un diverso comportamento. L’inclinazione dei micropali dà luogo ad una rigidezza laterale superiore e dunque a spostamenti laterali ed accelerazioni inferiori in corrispondenza della testa dei micropali rispetto ai gruppi di micropali verticali senza per questo trasmettere sollecitazioni maggiori al terreno. L’inclinazione dei micropali porta anche ad una diminuzione del momento flettente in corrispondenza della testa del micropalo in quanto gli stessi vengono sollecitati assialmente. La testa del micropalo, collegamento tra lo stesso micropalo e la sovrastruttura, rappresenta spesso una zona critica ed è da dimensionare in modo adeguato e omologato.

Stabilità e consolidamento di blocchi rocciosi – RockPlane

Uso dei micropali iniettati in terreni suscettibili di liquefazione

Nel caso in cui si presenti la necessità di un intervento di adeguamento sismico di costruzioni realizzate su terreni suscettibili di liquefazione (durante il terremoto del 2012 in Emilia, diversi sono stati i casi di liquefazione dei terreni manifestatisi), è possibile operare in modo efficace con l’impiego dei micropali iniettati.
È riconosciuto che, in tale tipo di terreni, i micropali, anche per le costruzioni di nuova realizzazione, sono uno dei sistemi migliori e, per le piccole e le medie costruzioni, anche il più economico ed efficace, per trasmettere agli strati di terreno non suscettibili di liquefazione i carichi. Ciò che non è ancora molto noto ai più è che, con l’utilizzo dei micropali iniettati, si può ottenere anche il risultato di consolidare il terreno oltre a quello di trasferire i carichi a strati di terreno non suscettibili di liquefazione e si riduce il rischio stesso di liquefazione. Le NTC 2018 prevedono che in questi casi occorre procedere ad interventi di consolidamento del terreno e/o trasferire il carico a strati di terreno non suscettibili di liquefazione.
Si presentano di seguito alcuni dei risultati ottenuti con i micropali iniettati TITAN attraverso prove di laboratorio (McManus et.al., 2005) per determinare l’influenza dei micropali stessi in termini di riduzione dei cedimenti. In una vasca di dimensioni interne 1,8 x 0,8 m, profonda 2,0 m, provvista di pareti lamellari per permettere una deformazione laterale come nella situazione reale, riempita di sabbia sciolta e posizionata su una tavola vibrante (max. accelerazione con massa di 5 t: 2,7 g; max. velocità: 1,0 m/s, max. spostamento: 0,30 m), sono state effettuate tre diverse prove: senza micropali all’interno del corpo in sabbia, con un micropalo inclinato e con due micropali inclinati (Figg. 4,5 e 6).
I micropali iniettati sono stati installati secondo le normali modalità di posa. Il diametro reso di ogni micropalo era di circa 100 mm (± 15 mm)

Alla fine dei test i micropali sono stati estratti e si presentavano con corpo d’iniezione di sezione uniforme. Nel corso delle prove, il modello è stato sottoposto ad un’accelerazione pari a 0,4 g e sollecitato con 26 cicli. La serie di prove ha evidenziato che la risposta del modello con un solo micropalo, in termini di cedimenti è stata molto simile a quella del modello privo di micropali, mentre, il modello con due micropali disposti inclinati come da Fig. 5, ha presentato un comportamento significativamente migliore: i cedimenti sono risultati pari a circa 1/5 rispetto agli altri due modelli (Fig. 7). È probabile che i due micropali avrebbero impedito la liquefazione del terreno se lo stesso fosse stato saturato con acqua.

Juran et al. (2001) hanno condotto una serie di prove per studiare queste dinamiche ed hanno evidenziato che il sistema di micropali induce un confinamento del terreno che limita l’aumento della pressione dell’acqua interstiziale e dunque il rischio di liquefazione.

Si vuole qui evidenziare come l’inserimento di elementi di rinforzo nel terreno quali i micropali iniettati possa portare a tali risultati limitando i cedimenti e riducendo il pericolo di liquefazione dei terreni aumentandone la coesione. Ossia, gruppi di micropali disposti a maglia stretta si comportano come un’armatura nel terreno in modo analogo a quanto avviene per la chiodatura dei terreni, metodo ampiamente diffuso realizzato mediante l’inserimento nel terreno di micropali iniettati (chiodi) per il quale le capacità di armare il terreno rinforzandolo sono note.

Liquefazione terreni – Liquiter

Conclusioni

La ricerca e le osservazioni post sisma su scala reale effettuate nel corso degli ultimi anni hanno confermato che i gruppi di pali costituiti da un numero maggiore di elementi di piccolo diametro (micropali), costituiscono una soluzione più efficace per gli adeguamenti sismici delle costruzioni e
per la realizzazione delle fondazioni di nuove costruzioni in zona sismica distribuendo su un numero maggiore di elementi dei carichi minori rispetto a quanto avviene per un numero minore di pali di grande diametro i quali concentrano carichi più elevati in un minor numero di punti più rigidi.
L’impiego di materiali, di tecnologia e di componenti di qualità adeguata quali le barre in acciaio da costruzione con tensione di snervamento caratteristica f_yk secondo EC 2, ossia: 400 N/mm² ≤ f_yk ≤ 600 N/mm²; la filettatura/nervatura idonea per un’efficace connessione con il corpo d’iniezione in cemento e la limitazione dell’ampiezza delle fessurazioni nello stesso; i manicotti di giunzione per carichi di trazione, compressione ed alternati e l’opportuna costruzione della testa del micropalo, permette di soddisfare le prescrizioni della normativa vigente in termini di materiali, di idoneità d’impiego, di durabilità (protezione permanente dalla corrosione) e degli altri aspetti previsti.
I micropali iniettati di qualità, sono inoltre di facile installazione all’interno degli edifici, in spazi limitati ed in condizioni critiche (p. es. consolidamento delle fondazioni di viadotti) e permettono di ottenere dei risultati che portano a delle soluzioni progettuali ottimali (p. es. la posa a pochi centimetri
da muri e pilastri esistenti) con conseguente risparmio in termini di tempo ed economici.
L’ottima connessione tra il terreno ed il micropalo iniettato permette di limitare i valori dei momenti flettenti in corrispondenza della testa del micropalo come pure i gruppi di micropali inclinati che offrono anche una maggiore rigidezza laterale rispetto ai gruppi di micropali verticali.
I micropali iniettati di qualità costituiscono un’armatura del terreno e permettono di migliorare le proprietà meccaniche dello stesso e, in terreni suscettibili di liquefazione, danno luogo ad un confinamento del terreno limitando il rischio di liquefazione rappresentando dunque un’ideale soluzione per l’adeguamento sismico delle costruzioni nonché per la realizzazione di nuove fondazioni.

Bibliografia

Friedr. Ischebeck Gmbh. (2013). Quaderno “Palo iniettato TITAN. Progetto, dimensionamento ed esecuzione”.
Friedr. Ischebeck Gmbh. (2013). Quaderno “Palo iniettato TITAN per fondazioni e sottofondazioni”.
Friedr. Ischebeck Gmbh. (2013). Quaderno “Testa del palo – Varianti standard. Progetto e dimensionamento”.
Hanna S. & Juran I. (2001), “Performance of Micropiles in Liquefying Sand Subjected to Lateral Spreading”. Submitted to Transportation Research Record, August 2001.
Juran I., Benslimane A., and Hanna S. (2001), “Engineering Analysis of the Dynamic Behavior of Micropile Systems”, Transportation Research Board, 1772, paper No. 01-2936.
Juran I. (2003). Synthesis of the Results and Recommendation of the French National Project on Micropiles. Chapter 5: “Design of Micropile Systems in Seismic Areas”.
Magrini G. (2011), “Progettazione esecutiva strutturale per i lavori di messa in sicurezza della scuola media E.Fermi di Castelplanio (AN) – Nuovo intervento unitario di miglioramento sismico L. 23/96 e L.R. 31/2009”.
McManus K.J., Turner J.P., Charton G. (2005). “Inclined reinforcement to prevent soil liquefaction. NZSEE Conference”.
Rodriguez-Marek A., Muhunthan B. (2005). FHWA Supported structures research “Seismic behavior of micropiles”.
S.I.GE.S. S.r.l. (2012). “Progetto per l’adeguamento sismico della nuova sede della Prefettura dell’Aquila”.

Autori

Giorgio Severi, Friedr. Ischebeck GmbH

Eugenio Castelli, Ph.D. Dipartimento di Ingegneria e Architettura dell’Università di Trieste

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