Progettazione geotecnica agli Stati Limite

La progettazione geotecnica ha da sempre riconosciuto i concetti di stato limite ultimo (SLU) e di stato limite di esercizio (SLE) come fondamentali per la sicurezza delle opere. Tuttavia, le normative più recenti, come l’Eurocodice 7 (EN 1997) e le Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC) italiane (in particolare le NTC 2018), hanno introdotto un cambiamento significativo: l’adozione dei coefficienti di sicurezza parziali. Questo approccio mira a una razionalizzazione e un miglioramento delle prestazioni nella ricerca della sicurezza strutturale e geotecnica.

Il contesto normativo: Eurocodici e Norme Italiane

Le norme di riferimento attuali per la progettazione geotecnica sono gli Eurocodici, un insieme di norme europee sviluppate dal CEN (Comitato Europeo di Normalizzazione) per armonizzare la progettazione strutturale e geotecnica all’interno dell’Unione Europea. Tra questi, l’EN 1997 Eurocodice 7: Progettazione Geotecnica è il più rilevante per il nostro campo. Si articola in due parti principali:

• EN 1997-1: Regole generali (novembre 2004)
• EN 1997-2: Indagini e prove geotecniche (marzo 2007)

È fondamentale notare che gli Eurocodici distinguono tra Principi (P) e Regole Applicative.:

• i principi sono dichiarazioni generali e requisiti inderogabili,
• le regole applicative sono esempi di regole riconosciute che soddisfano i principi, ma per le quali sono ammesse alternative purché dimostrino un’equivalenza in termini di sicurezza e funzionalità.

In Italia, l’applicazione degli Eurocodici è avvenuta tramite l’emanazione di Annessi Nazionali. Questi annessi, definiti dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, stabiliscono i “Parametri Nazionali Determinati” (NDP), ovvero i valori numerici e le scelte specifiche che ogni paese membro può adottare per i punti lasciati aperti dall’Eurocodice (es. diversi approcci per le verifiche di sicurezza, valori dei coefficienti parziali). Il Decreto 31 luglio 2012 ha approvato le Appendici Nazionali per l’applicazione degli Eurocodici in Italia.

Parallelamente, la normativa italiana ha avuto una sua evoluzione:

• DM ’88 e DM ’96: Norme non più vigenti, che utilizzavano un coefficiente globale di sicurezza per la valutazione della sicurezza statica e sismica.
• Ordinanza 3274 (2003): Non più vigente, rappresentò una prima importante novità post-terremoto del Molise.
• NTC 2005: Non più vigente, primo testo unitario della legislazione nazionale.
• NTC 2008 (DM 14/01/2008): Non più vigente, ha introdotto per la prima volta i coefficienti parziali di sicurezza.
• NTC 2018 (DM 17/01/2018): Attualmente vigente, conferma l’adozione dei coefficienti parziali di sicurezza e apporta importanti chiarimenti e semplificazioni.

Le NTC 2018, pur mantenendo un formato simile agli Eurocodici, ne sono un riferimento importante, come indicato nel Capitolo 12 (“Riferimenti Tecnici”).

Stati Limite nella progettazione geotecnica

La progettazione agli stati limite prevede la verifica che gli effetti delle azioni di progetto (Ed​) non superino le resistenze di progetto (Rd​) o che il valore di progetto di un effetto (Ed​) non superi un valore limite (Cd​).

Stati Limite Ultimi (SLU)

Gli SLU si riferiscono a condizioni di collasso o di eccessiva deformazione che potrebbero compromettere la sicurezza dell’opera. L’Eurocodice 7 e le NTC 2018 definiscono diverse tipologie di SLU:

• EQU (Equilibrio): Perdita di stabilità globale (es. ribaltamento di un muro). La condizione di verifica è:

 Edst;d​≤Estb;d​

(dove Edst;d​ sono gli effetti destabilizzanti e Estb;d​ sono gli effetti stabilizzanti)

• STR (Strutturale): Rottura o eccessiva deformazione della struttura stessa. La verifica è:

E_d \le R_d​

• GEO (Geotecnico): Rottura o eccessiva deformazione del terreno. La verifica è:

E_d \le R_d

• UPL (Sollevamento): Collasso dovuto a sollevamento provocato da forze verticali (es. spinta idrostatica). La verifica è:

G_{dst;d}​+Q_{dst;d} \le G_{stb;d​}

• HYD (Idraulico): Rottura causata dalla presenza di gradienti idraulici (es. sifonamento). Le verifiche includono:

u_{dst;d}​ \le σ_{stb;d​}
\\ 
\Delta u_{dst;d}​ \le \sigma'_{stb;d}

(dove u rappresenta le pressioni interstiziali e σ′ le tensioni efficaci)

Approcci progettuali per gli SLU

L’Eurocodice 7 propone diversi Approcci di Progettazione (Design Approaches – DA) per la verifica agli SLU, che prevedono combinazioni specifiche di coefficienti parziali applicati alle azioni (A), ai parametri del terreno (M) e alle resistenze (R).

• Approccio 1 (DA1): Prevede due combinazioni:
  • Combinazione 1 (DA1.1): A1+M1+R1. Generalmente più severa per il dimensionamento strutturale.
  • Combinazione 2 (DA1.2): A2+M2+R1 (o R2 in NTC 2018 per la stabilità globale). Generalmente più severa per il dimensionamento geotecnico.
  • Le NTC 2018 chiariscono che, quando questo approccio è consentito, si deve utilizzare la combinazione più gravosa tra le due, sia per il dimensionamento strutturale che geotecnico.
• Approccio 2 (DA2): Prevede una singola combinazione: A1+M1+R2 (o R3 in NTC 2018). Si caratterizza per una contemporanea fattorizzazione delle azioni e delle resistenze.
• Approccio 3 (DA3): Prevede la contemporanea fattorizzazione delle azioni e dei parametri del terreno (A1 o A2 per le azioni strutturali o geotecniche rispettivamente, più M2+R3). Questo approccio è stato oggetto di critiche.

Le NTC 2018 hanno introdotto una semplificazione fondamentale nel campo statico (Cap. 6), definendo un approccio progettuale univoco per ogni tipologia di opera, riducendo la difficoltà per i progettisti che in precedenza dovevano scegliere tra approcci alternativi.

• Fondazioni superficiali, fondazioni profonde (pali), muri di sostegno, ancoraggi: Utilizzano l’Approccio 2 (DA2): A1+M1+R3.
• Paratie, gallerie: Utilizzano l’Approccio 1 (DA1): A1+M1+R1 e A2+M2+R1.
• Stabilità generale di sistemi geotecnici, fronti di scavo e costruzioni in materiali sciolti: Utilizzano una combinazione unica A2+M2+R2.

Coefficienti parziali

I coefficienti parziali (γ) sono fattori di sicurezza applicati a:

• Azioni (γ_F​) o effetti delle azioni (γ_E​): incrementano le azioni sfavorevoli e riducono quelle favorevoli.
  • Set A1: γG​ (permanenti sfavorevoli) = 1.35; γQ​ (variabili sfavorevoli) = 1.5.
  • Set A2: γG​ (permanenti sfavorevoli) = 1.0; γQ​ (variabili sfavorevoli) = 1.3.

• Parametri del Terreno (γM​): Riducano le resistenze intrinseche del terreno.
  • Set M1: γϕ′​ (angolo di resistenza al taglio) = 1.0; γc​ (coesione efficace) = 1.0; γcu​ (resistenza non drenata) = 1.0.
  • Set M2: γϕ′​ = 1.25; γc​ = 1.25; γcu​ = 1.4.

• Resistenze (γR​): Riducano le resistenze complessive dell’opera. Dipendono dalla tipologia di opera (es. fondazioni dirette, pali, opere di sostegno). I valori di R1,R2,R3 variano a seconda dell’elemento e del set di combinazione.

È importante considerare il criterio della singola sorgente: se azioni permanenti sfavorevoli e favorevoli derivano dalla stessa fonte, un singolo fattore parziale può essere applicato alla somma delle azioni o dei loro effetti.

Valori caratteristici

I valori caratteristici sono una stima cautelativa del valore del parametro che influenza l’occorrenza dello stato limite. Per le resistenze, generalmente si assume un frattile inferiore (es. 5%), mentre per le azioni, un frattile superiore o inferiore che minimizza la sicurezza. Nelle NTC 2018, per i parametri geotecnici, si ottengono mediante prove di laboratorio e in situ e devono rappresentare una “stima ragionata e cautelativa”.

Stati Limite di Esercizio (SLE)

Le verifiche agli SLE riguardano la funzionalità dell’opera e la sua compatibilità con le prestazioni attese, evitando deformazioni eccessive che potrebbero compromettere l’utilizzo. La verifica è Ed​≤Cd​, dove Cd​ è il valore limite prescritto. Per le verifiche SLE, si utilizzano i valori caratteristici delle azioni e dei parametri del terreno, senza l’applicazione dei coefficienti parziali che si usano per gli SLU. Le combinazioni di carico utilizzate per gli SLE sono diverse (caratteristica, frequente, quasi permanente).

Fasi della progettazione geotecnica (NTC 2018 – Cap. 6.2)

Il progetto delle opere geotecniche si articola in diverse fasi interconnesse:

1. Caratterizzazione e modellazione geologica: definizione del contesto geologico del sito.
2. Scelta del tipo di opera e programmazione indagini geotecniche: le indagini devono essere mirate al volume significativo di terreno influenzato dall’opera.
3. Caratterizzazione fisico-meccanica e definizione dei modelli geotecnici: attribuzione dei parametri geotecnici a ciascun complesso omogeneo.
4. Descrizione delle fasi e modalità costruttive: dettaglio del processo di realizzazione.
5. Verifiche della sicurezza e delle prestazioni: applicazione degli stati limite (SLU e SLE).
6. Piani di controllo e monitoraggio: definizione delle procedure di verifica durante e dopo la costruzione.

Il volume significativo di terreno è la porzione di sottosuolo influenzata dalla costruzione e che, a sua volta, influenza il manufatto. La sua profondità e estensione dipendono dal tipo di fondazione e dalle condizioni del terreno.

Opere geotecniche specifiche (NTC 2018)

Fondazioni superficiali (Cap. 6.4.2)

Fondazioni superficiali (Cap. 6.4.2)

• SLU (GEO): Collasso per carico limite, scorrimento, stabilità globale.
• SLU (STR): Raggiungimento della resistenza degli elementi strutturali della fondazione.
• Approccio: Approccio 2 (DA2): A1+M1+R3 per carico limite e scorrimento. Per la stabilità globale, si usa A2+M2+R2.
• SLE: Calcolo dei cedimenti (immediato, edometrico) per verificarne la compatibilità con le prestazioni attese dell’edificio.

Fondazioni profonde (Cap. 6.4.3)

Fondazioni profonde (Cap. 6.4.3)

• SLU (GEO): Collasso per carico assiale (compressione/trazione), carico trasversale, stabilità globale.
• SLU (STR): Raggiungimento della resistenza della struttura di collegamento o dei pali stessi.
• Approccio: Approccio 2 (DA2): A1+M1+R3 per la maggior parte delle verifiche. La stabilità globale continua a essere verificata con A2+M2+R2.
• Resistenze Caratteristiche: Si possono dedurre da prove di carico statico su pali pilota (con coefficienti ξ1​,ξ2​), da metodi analitici o correlazioni empiriche con prove in situ (con coefficienti ξ3​,ξ4​), o da prove dinamiche (con coefficienti ξ5​,ξ6​).
• SLE: Valutazione dei cedimenti e spostamenti trasversali.

Opere di sostegno (Cap. 6.5)

Opere di sostegno (Cap. 6.5)

• SLU (GEO, STR, UPL, HYD): Collasso per rotazione, carico limite verticale, sfilamento ancoraggi, instabilità del fondo scavo (non drenata, sollevamento, sifonamento), stabilità globale, raggiungimento resistenza strutturale della paratia, degli ancoraggi o dei puntoni.
• Approccio: Approccio 1 (DA1) nelle due combinazioni (A1+M1+R1 e A2+M2+R1). La stabilità globale dell’insieme terreno-opera si verifica con A2+M2+R2.
• SLE: Valutazione degli spostamenti orizzontali e della loro compatibilità con la funzionalità dell’opera e delle strutture adiacenti. Le NTC 2018 introducono la considerazione di un “sovratescavo” d’ (pari al minore tra 10%H per opere a sbalzo/10%(H−ha​) per opere ancorate e 50 cm).

Tiranti di ancoraggio (Cap. 6.6)

Tiranti di ancoraggio (Cap. 6.6)

• Possono essere provvisori o permanenti, attivi (presollecitati) o passivi.
• SLU: Dimensionamento a sfilamento dell’ancoraggio con Approccio 2 (DA2) (A1+M1+R3). La verifica include sfilamento, stabilità globale e raggiungimento della resistenza dell’armatura.
• Gerarchia delle Resistenze: La resistenza di progetto allo snervamento dell’acciaio deve essere maggiore del valore massimo della resistenza di progetto a sfilamento della fondazione dell’ancoraggio.

Stabilità generale di sistemi geotecnici, fronti di scavo e costruzioni in materiali sciolti (Cap. 6.8)

Stabilità generale di sistemi geotecnici, fronti di scavo e costruzioni in materiali sciolti (Cap. 6.8)

• SLU: Verifica di stabilità globale secondo la Combinazione 2 (A2 + M2 + R2) dell’Approccio 1.
• Metodi di Calcolo: Possono includere il metodo delle strisce o l’approccio c−ϕ reduction nei codici FEM.

Stabilità dei pendii naturali (Cap. 6.3)

Stabilità dei pendii naturali (Cap. 6.3)

• La valutazione della stabilità dei pendii naturali è complessa e richiede un’analisi approfondita delle condizioni geologiche, geomorfologiche, idrogeologiche e geotecniche.
• Verifiche di sicurezza: Devono tenere conto del tipo di frana, delle superfici di scorrimento possibili, delle proprietà meccaniche dei terreni e del regime delle pressioni interstiziali.
• A differenza delle opere in materiali sciolti, per i pendii naturali la scelta del margine di sicurezza accettabile è lasciata al progettista, che deve giustificarla in base al livello di conoscenza, affidabilità dei dati, complessità geologica e conseguenze di un’eventuale frana.

Principali novità delle NTC 2018 rispetto alle NTC 2008

• Approccio progettuale univoco: come già menzionato, una delle novità più significative è la definizione di un approccio progettuale univoco per diverse tipologie di opere in campo statico, riducendo le ambiguità precedenti.
• Chiarimento Approccio 1: viene esplicitato che, quando l’Approccio 1 è consentito, entrambe le combinazioni (A1+M1+R1 e A2+M2+R1) devono essere verificate e si adotta quella più gravosa, riallineando le NTC all’Eurocodice.
• Sovrascavo d’ per paratie: la ripresa del concetto di “sovratescavo” per le paratie, derivante dall’EC7.
• Verifiche in campo sismico: maggiori dettagli sui requisiti strutturali degli elementi di fondazione in campo sismico, con chiarimenti sulla scelta dell’azione di progetto.
• Armature minime: confermate armature minime per platee, travi di fondazione e pali.
• Gerarchia delle resistenze: per i tiranti, la verifica è ora basata sulla resistenza di progetto allo snervamento dell’acciaio rispetto alla resistenza di progetto a sfilamento della fondazione.
• Durabilità: maggiori richiami alla durabilità in relazione alle condizioni ambientali.
• Esclusione prove per pali orizzontali: per pali sollecitati prevalentemente da azioni orizzontali non sono più richieste prove di carico.