Verifica dei pali di fondazione sotto azioni sismiche: teoria di Broms

L’analisi del carico limite dei pali di fondazione sotto un’azione orizzontale è stata studiata da diversi autori, la teoria più diffusa e utilizzata è quella sviluppata da Broms che si fonda su 4 ipotesi fondamentali:

• palo verticale;
• terreno omogeneo;
• comportamento all’interfaccia palo-terreno schematizzabile come rigido-perfettamente plastico, con la resistenza del terreno che non dipende dalla forma del palo ma solo da una dimensione caratteristica della sezione (ad esempio, il diametro d per una sezione circolare);
• comportamento flessionale del palo rigido-perfettamente plastico, con le rotazioni elastiche trascurabili fin quando non si attinge il momento di plasticizzazione della sezione e si forma la “cerniera plastica”.

Si può notare che per valutare il carico limite per effetto di un’azione orizzontale è necessario portare in conto anche la resistenza strutturale del palo. Al contrario di quanto avviene nel caso del carico limite per azioni verticali, la flessione e il taglio, conseguenti ad una forza orizzontale, sono superiori e non trascurabili rispetto allo sforzo normale indotto da un’azione verticale. Supponendo che il palo trasli rigidamente di una quantità δ, ai fini delle analisi, la reazione del terreno può essere assunta costante con la profondità. Per un terreno coesivo p=9c_ud, a partire da una quota pari a 1.5d, e con andamento triangolare, linearmente crescente con la profondità, per un terreno incoerente p=3K_pγdz.

La trattazione di Broms si differenzia in base a due tipologie di palo:

• palo libero di ruotare in testa
• palo a rotazione impedita

Per ognuna di queste tipologie va esaminato il caso di terreno coesivo e di terreno incoerente.

Pali liberi di ruotare

Terreni coesivi

Il palo può esibire due comportamenti diversi:

• di palo corto, se il massimo momento flettente agente sul palo è inferiore al suo momento di plasticizzazione e la rottura è provocata da una rotazione rigida del palo. Non entra in gioco, nella determinazione del carico limite, la resistenza strutturale del palo. Il massimo valore della forza orizzontale dipende solo dalle caratteristiche meccaniche del terreno e dalla geometria del palo.
• di palo lungo, se ad una certa profondità il momento flettente supera quello di plasticizzazione del palo, con conseguente formazione di cerniera plastica.  In questo caso il carico limite dipende sia dalla resistenza del terreno che da quella del palo.

In entrambi i casi il massimo valore di H si ottiene risolvendo le equazioni di equilibrio alla traslazione orizzontale e alla rotazione. A priori non si può stabilire se il palo è da considerarsi lungo o corto: la procedura corretta è quella di calcolare il massimo valore della forza orizzontale in entrambi i casi ed assumere il valore più basso.

Terreni incoerenti

Anche in questo caso il palo può esibire un comportamento di palo lungo, con la rotazione dello stesso che avviene in un punto vicino all’estremità inferiore, o di palo corto con formazione della cerniera plastica nel punto in cui si attinge il momento di plasticizzazione.

Pali a rotazione impedita

La sovrastruttura che poggia sui pali, potrebbe essere tale da impedire totalmente o parzialmente la rotazione dell’estremità superiore del palo stesso. In questo caso si parla di pali a rotazione impedita o vincolati in testa.

In questo caso il palo può esibire tre comportamenti diversi:

• di palo corto, analogamente ai casi precedenti, se non si attinge mai il massimo momento resistente della sezione.
• di palo intermedio, se la formazione della cerniera plastica avviene in testa al palo, in corrispondenza del collegamento con la struttura di fondazione;
• comportamento di palo lungo, nel caso in cui il momento di plasticizzazione si raggiunge anche in punto lungo il fusto del palo con conseguente formazione di una seconda cerniera plastica.

Terreni incoerenti

I possibili meccanismi di rottura sono gli stessi dei terreni coesivi: comportamento di palo corto, intermedio e lungo. Ciò che varia rispetto al caso precedente sono le reazioni del terreno e di conseguenza i valori del carico limite risulteranno differenti.

IperSpace BIM permette sia la verifica strutturale che geotecnica dei pali di fondazione; il carico limite orizzontale è valutato secondo la teoria di Broms. Dopo la progettazione delle armature, operazione necessaria affinché sia noto il momento di plasticizzazione del palo, si possono analizzare i risultati del calcolo geotecnico dell’opera di fondazione e verificare il tipo di comportamento del palo (corto, lungo o intermedio) e il soddisfacimento dei requisiti di sicurezza previsti dalle NTC 2018. Il report associato alla relazione geotecnica riporta tutte le informazioni necessarie all’utente.

È sempre l’utente, all’interno del criterio di verifica, a definire alcune caratteristiche dei pali tra le quali: tecnologia esecutiva, coefficienti di sicurezza da utilizzare e presenza o meno del vincolo in sommità.

Scopri di più sulle soluzioni software per il calcolo strutturale e la geotecnica previste da Soft.Lab visitando la pagina dedicata, scrivendo a comunicazione@soft.lab.it o telefonando allo 0824 87 43 92.

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