Appunti Modulo di fondazione

Fondazioni: requisiti e fasi di progetto

Fondazione è l’elemento di collegamento tra terreno e struttura, attraverso il quale i carichi trasmessi da quest’ultima vengono trasferiti al terreno nel rispetto di determinati requisiti di progetto.

Requisiti di progetto

1. Sicurezza rispetto ad un fenomeno di rottura per carico limite del terreno di fondazione;
2. Compatibilità dei cedimenti assoluti e differenziali con la statica e la funzionalità della sovrastruttura;
3. Resistenza della struttura di fondazione alle sollecitazioni di risposta del terreno;
4. Fattibilità e sicurezza di costruzione dell’opera di fondazione;
5. Economicità.

Per soddisfare tali requisiti, il progetto di una fondazione deve tener conto di:

• Fattori connessi al terreno di fondazione (stratigrafia, caratteristiche meccaniche del terreno, presenza e regimi delle acque sotterranee, situazioni particolari quali fenomeni franosi, subsidenza ecc.);
• Fattori connessi all’opera in progetto (tipologia, forma, dimensioni, carichi permanenti ed accidentali, materiali);
• Fattori ambientali (morfologia del terreno, regime delle acque superficiali, presenza e caratteristiche di altri manufatti e sottoservizi, fattori climatici e azioni sismiche).

Fasi di progetto delle fondazioni

1. Caratterizzazione geotecnica del sottosuolo (indagini geotecniche in sito ed in laboratorio, modello geotecnico del sottosuolo: C’, φ’);
2. Analisi dei carichi esercitati dalla sovrastruttura (carichi fissi, sovraccarichi, carichi dinamici o ciclici);
3. Scelta del tipo di fondazione e della profondità del piano di posa;
4. Verifica della stabilità del complesso terreno-fondazione (calcolo del carico limite di rottura);
5. Verifica del comportamento in esercizio (calcolo dei cedimenti assoluti e differenziali);
6. Studio delle modalità esecutive (scavi, abbassamenti di falda ecc.) e dei controlli in corso d’opera (monitoraggio ecc.);
7. Piano;
8. Computo metrico e preventivo di spesa.

In Italia le regole delle costruzioni sono sancite da decreti.

L’elemento di fondazione trasferisce il carico della sovrastruttura e la ripartisce, la trasforma in pressione, in maniera uniformemente distribuita in corrispondenza al piano di posa della fondazione, contatto fondazione e terreno.

Tipologie di fondazioni

Si distinguono due tipologie di fondazioni:

• Fondazioni dirette o fondazioni superficiali;
• Fondazioni profonde indirette.

D = profondità del piano di posa, dal piano campagna.

B = corrisponde al lato più corto della fondazione.

L = lato più lungo, corrisponde al lato più lungo della fondazione.

D = lato corto.

Fondazioni superficiali e fondazioni profonde

Quello che succede in una fondazione superficiale: tipicamente la profondità del piano di posa della fondazione è minore o uguale alla larghezza della fondazione. D≤B.

Le fondazioni profonde si definiscono tali quando L è molto maggiore di D. D<L.

Differenze

La fondazione superficiale trasferisce tutte le azioni che arrivano sulla sovrastruttura alla sua base, alla faccia del piano di posa, mentre lateralmente non trasferisce nulla. Anche se ci fosse un contatto laterale tra fondazione e terreno, dati gli spessori tipici delle fondazioni superficiali, questo contributo sarebbe assolutamente minoritario e quindi si trascura.

Mentre tutto questo non vale per i pali. Il palo finisce a trasferire le azioni che arrivano dalla sovrastruttura, in parte alla punta ma in parte anche sulla superficie laterale del palo, perché si generano degli sforzi di taglio al contatto tra la superficie laterale del palo e del terreno, che in qualche modo rappresentano da una parte una via di trasferimento dell’azione anche a questa parte di terreno e dall’altro rappresentano anche un contributo alla capacità portante del palo, dove il palo è in grado di resistere ad una certa azione verticale.

[Esistono delle situazioni intermedie, esempio fondazioni a pozzo utilizzati per i ponti].

Ci soffermiamo soprattutto sulle fondazioni superficiali:

1. Tipologie;
2. Scelta del piano di posa;
3. Stabilità delle fondazioni superficiali;
4. Analisi dei cedimenti.

Classificazione delle soluzioni di fondazione

Classificazione delle soluzioni di fondazione dalla più semplice e meno costosa alla più articolata e costosa.

Plinto isolato

Ad interagire con il terreno è solo il plinto. Se sono più plinti sono separati tra loro, per cui anche se esistesse un elemento di collegamento che però non tocca il terreno, ad esempio un cordolo oppure una trave di collegamento, si usa in zona sismica per irrigidire le azioni, in quel caso le fondazioni nella nostra prospettiva vengono sempre considerate dei plinti isolati.

Al fine dell’interazione con il terreno ogni elemento viaggia per i fatti propri. Nel contesto di plinti isolati questi si differenziano in:

• Plinti di bordo: il pilastro è posizionato al bordo del plinto, per sfruttare geometrie o spazi disponibili;
• Plinto di spigolo: si preferiscono ovviamente i carichi centrali.

Il plinto sicuramente è la scelta tipologica più semplice, ed è anche quella meno costosa di tutte.

Trave rovescia

In alternativa, la tipologia appena più complessa dei plinti è quella delle travi rovesce.

Le travi rovesce, travi continue, sono fondazioni nastriformi, cioè fondazioni in cui prevale una dimensione rispetto all’altra, dove avremo un B minore di L. Si chiamano travi rovesce, rovesciate sul terreno, perché collegano più pilastri.

L’aspetto peculiare è quello di collegare, utilizzando un unico elemento di fondazione, una serie di pilastri allineati lungo una direttrice. Esempio immagine: i 3 pilastri finiranno per trasferire i carichi ad essi pertinenti sullo stesso elemento di fondazione.

Fondazioni tipo travi rovesce sono realizzate al di sotto di strutture lineari, ad esempio un muro continuo: la fondazione in questi casi viene chiamata trave muraria.

Un sistema di travi rovesce che hanno una sola direzione ma varie, anche in direzione perpendicolare, e tutto questo viene collegato dando luogo al graticcio di travi.

Graticcio di travi

Il graticcio di travi è un sistema di travi rovesce libere o separate e travi perpendicolari, realizzando un sistema molto più interconnesso.

Platea di fondazione

La platea di fondazione è una soluzione più onerosa rispetto alle travi rovesce, che assicura una serie di effetti. Dal punto di vista tipologico è una fondazione unica che va a ripartire e trasferire i carichi che riceve da tutti i pilastri che sono raccolti su di essa.

Motivazione della scelta della fondazione

Motivazione scelta della fondazione? La motivazione è solo legata a questioni di cantiere, per motivo operativo. Esempio: in un progetto i plinti devono avere una certa larghezza, ma lo spazio in cantiere è minore e la scelta migliore sarebbe quella della platea.

Oppure i vuoti sul graticcio di travi occupano il 40-50% dello spazio complessivo: quindi, a prescindere dall’analisi geotecnica del problema, è molto più facile realizzare una platea.

Utilizzo una soluzione invece che un’altra per altri motivi rispetto all’altra? Ma il motivo principale è: cosa cambia passando da una soluzione all’altra?

Elementi strutturali delle fondazioni

I plinti

Come tutte le fondazioni, sono soluzioni realizzate in c.a. Si fanno in c.a. anche opere che fuori terra sono in acciaio o in muratura. Oggi si ricorre a realizzare fondazioni superficiali in c.a.

Immagine: sono 2 plinti in c.a., uno più alto rispetto all’altro, questo dipende da motivi strutturali.

L’elemento strutturale, in entrambi i casi, è caratterizzato dall’armatura, disposta in maniera opportuna, valutata con specifiche caratteristiche che riguardano le verifiche strutturali, si fa per ultimo.

La sequenza dei passaggi logici: prima si stabilisce la dimensione delle fondazioni, si stabilisce prima dal punto di vista geotecnico che la fondazione non collassi, si stabilisce prima che il sistema delle fondazioni non ceda più di quello che deve e poi le verifiche strutturali.

Al di sotto, sotto plinto, non è altro che uno strato di magrone, cls magro, il cui unico scopo è quello di preparare l’area sulla quale verranno realizzate le casseforme per realizzare l’elemento di fondazione.

L’unico scopo del magrone è quello di avere una porzione più pulita e regolare su cui operare quelle fasi successive. Il sotto plinto non partecipa a niente e non si tiene in considerazione.

Se questo discorso, i cordoli non si considerano, vale per i plinti, vale anche per le travi rovesce.

Travi rovesce

Immagine: trave rovescia, è una sezione longitudinale ed una sezione trasversale, identica a quella di un plinto. Errore B? Se i plinti sono così vicini, faccio una trave rovescia.

Ha spessori elevati: 0,80 - 1 m.

La platea

La platea, oltre ad essere costosa, ha un altro svantaggio: a meno che non sia realizzata con accorgimenti speciali, tipicamente dà un aggravio di carico.

Esempio: altezza 1 m, il peso del cls 25 kN/m³ significa che stiamo applicando 25 kPa di pressione dovuta solo al peso della fondazione, equivale quasi a 2 piani e mezzo.

Esistono anche platee alleggerite che sono realizzate in maniera differente, non piene, dove sono di altezza giusta solo in corrispondenza ai pilastri e vanno sicuramente ad alleggerire la struttura ma conferendo la stessa rigidezza di una platea normale.

Assicura anche un altro vantaggio: funge da elemento di impermeabilizzazione per una eventuale risalita dell’acqua.

Come si fa a giustificare una scelta progettuale rispetto all’altra? Ci sono alcune vincolanti: se ho un problema di impermeabilizzazione di un’opera, un sottopalco, un terreno sabbioso, probabilmente l’unica soluzione che posso perseguire è la realizzazione di una platea che mi assicura l’impermeabilizzazione.

Ripartizione dei carichi

Cosa succede quando passo da un sistema di plinti isolati a una trave rovescia? Uno dei motivi della fondazione è quello di trasferire al terreno le azioni che arrivano dalla sovrastruttura: perché ci si allarga?

Perché noi non parliamo di forze in generale. Se volessi fare la verifica della pressione di compressione della sezione farei: forza su un’area del cls, c.a., acciaio. Si allarga perché prima di ripartirsi sul terreno deve ripartirsi su di un’area maggiore, e al terreno arriva una forza minore rispetto a quella sopra.

Il terreno riesce a resistere a pressioni che sono di 1 o 2 volte più basse del cls, c.a., acciaio: per questo siamo costretti a ripartire su un’area più grande.

Esempio: se io prendo un pilastro e lo poggio sul terreno, normalmente il pilastro rimane integro, ma appena applicherò una forza il sistema di fondazione, dimensione pilastro, si romperà perché la tensione da sopportare è troppo grande.

Tradizionalmente io devo ripartire il carico del pilastro su un’area più grande.

Perché non posso realizzare cordoli in gomma o polistirolo? Perché quando applico il carico il polistirolo si rompe. Perché il loro ruolo è quello di trasferire il carico che gli arriva da sopra. Mentre nella gomma e nel polistirolo il carico rimane lì senza essere ripartito.

La capacità di ripartizione è legata anche dalla rigidezza flessionale.

La rigidezza flessionale ℑ cambia con il cubo, elevato 3 volte l’altezza h: ℑ/12.

Quindi se io cambio di poco l’altezza la rigidezza cambia tanto.

La capacità di ripartizione deve essere assicurata anche dalla rigidezza flessionale del materiale.

Come si fa a capire se un progetto è fatto bene o no? Il progetto è fatto bene se dalla documentazione progettuale noi riusciamo ad evincere un percorso logico che su base razionale giustifica la scelta che è stata fatta.

Quindi partire dalla soluzione meno costosa a quella che costa un po’ di più e man mano scartarle appena la verifica mostra che qualcosa non torna.

Scelta del piano di posa

La scelta del piano di posa deve rispettare una serie di regole di buona progettazione.

Scelte operative di posa

• Non si realizzano fondazioni direttamente sul terreno: si elimina lo strato superficiale di terreno vegetale e generalmente la fondazione viene posta al di sotto di 1-2 m dal piano campagna.
• Riporti: materiali da scartare. A Roma i riporti storici possono avere altezze di 7-10 metri.
• Essere lontano dalla zona di oscillazione della falda freatica. Noi invece dovremmo essere felici che ci sia la falda, per diversi motivi. La falda ci sta sempre e non è mai un problema. Il problema è realizzare la fondazione nella zona d’oscillazione della falda.

Soluzione peggiore perché mi trovo in una fascia dove, in qualche modo, ciclicamente risentirò gli effetti che non sono dell’umidità superficiale, ma effetti più marcati.

Quindi la soluzione è scegliere o tutto sopra, o tutto sotto. Tendenzialmente scegliere tutto sopra è troppo superficiale.

Posizione dell’elemento di fondazione: devono avere tutte la stessa quota per tutti gli elementi di fondazione. Averle a quote diverse produce problemi.

Stabilità delle fondazioni superficiali

Parlare di stabilità delle fondazioni superficiali significa parlare di un prerequisito fondamentale, quello che dobbiamo soddisfare per primo, quello di dire: la fondazione è stabile? Quanto sono sicura?

La sicurezza si esprime assicurandoci di essere lontani dalla condizione che produce il collasso. E quindi per risolvere il problema abbiamo bisogno di 2 informazioni fondamentali:

1. In condizione di esercizio, sapere qual è la pressione trasferita al terreno;
2. Qual è il carico limite dell’elemento di fondazione.

Dopodiché trovare un rimedio per confrontare queste due informazioni: la prima deve essere sempre più bassa della seconda. Io mi devo assicurare che quello che applico al terreno è inferiore a quello che può produrre al terreno una condizione di collasso.

Quindi fare una verifica di stabilità significa individuare il valore di queste due informazioni, che chiamiamo carico applicato e carico limite, e poi trovare un modo per fare il confronto, mi dice la normativa.

Esempio di fondazione superficiale

Dati: sezione dal lato B, il pilastro centrato, D e la falda.

Il terreno che si trova intorno al pilastro è il rinterro, che ha un peso di unità di volume, che non necessariamente è lo stesso terreno che è stato scavato, può anche essere diverso.

Perché si fa il rinterro? Perché tipo la ghiaia ha lo scopo di costituire il vespaio.

Perché faccio il vespaio? Perché l’acqua per risalita capillare sarebbe risalita fino al p.c.; invece, incontrando la ghiaia, riscende.

Peso della fondazione: altezza x peso dell’unità di volume.

Questo esercita una pressione uniforme dal basso verso l’alto, ecco perché è di segno negativo.

Peso del rinterro.

Pressione in esercizio al piano di posa

Come si valuta la pressione in esercizio trasferita al piano di posa delle fondazioni per un elemento di fondazione?

Il primo essenziale passaggio che verifica la stabilità è quello di valutare qual è l’azione trasferita al terreno, dall’insieme costituito dalla sovrastruttura e dall’elemento di fondazione e tutto quello che trasferisce con essa.

Questo dato va confrontato con quello che rappresenta la capacità portante, quanto il terreno riesce a sostenere.

Tradizionalmente queste quantità vengono rappresentate in termini di pressioni. Si immagina dunque, per ipotesi, che la fondazione trasferisca delle pressioni uniformemente distribuite al piano di posa, e quindi attraverso di esso al terreno.

Si manifesterà che esiste un valore di questa pressione uniformemente distribuita, che per quella data fondazione con una certa geometria produrrà, se applicata, una condizione di collasso.

Al fine di questa analisi, deve essere preso singolarmente il singolo elemento di fondazione: il singolo plinto, la singola trave rovescia, singola platea.

In pianta viene rappresentata la fondazione: il lato minore è B e il lato più lungo L. Immaginiamo una sezione passante per il centro, parallela all’asse del lato minore. A = B x L.

Sezione di analisi: per ipotesi è caratterizzata dal trasferimento delle azioni della sovrastruttura alla fondazione attraverso un pilastro.

Questo elemento di fondazione più ragionevolmente può essere un plinto. Se fosse una platea, non avrebbe solo un pilastro ma un maggior numero di pilastri.

Q equivale alla forza trasferita dal pilastro che si diffonderà sull’area della fondazione, dando luogo al primo termine della pressione in esercizio. Quando le lettere sono minuscole si intende una pressione che si esprime in kPa o su kN/m².

Una prima parte delle pressioni applicate al piano della fondazione verrà da quello che arriverà dalla sovrastruttura.

Il peso dell’elemento di fondazione, valutabile attraverso il prodotto tra l’area e l’altezza h, ottenendo il volume; diviso l’area, altezza dell’elemento di fondazione.

Il volume del materiale di cui è fatta la fondazione, cls = 25 kN/m³, è x unità di volume del cls.

Il terzo termine è il contributo del rinterro, che riponiamo sopra l’elemento di fondazione, che ha una sua unità di volume: contributo alla pressione trasferita al piano di posa di fondazione che sarà pari al prodotto del peso dell’unità di volume x il suo spessore, D-h.

Quarto termine: rappresenta essenzialmente l’effetto che ha l’eventuale presenza di una falda, per esempio disposta rispetto al piano di posa ad una altezza z_w, il termine di sottospinta, ovvero la spinta di galleggiamento, che va dal basso verso l’alto, infatti acquisisce un segno negativo, che riceve l’elemento di fondazione immerso in un liquido per q.