65 4.1 Premessa 4. Normativa

4. Normativa

4.1 Premessa

La promulgazione negli anni dei vari Eurocodici ha prodotto una revisione delle preesistenti normative nei singoli Paesi, introducendo il metodo di calcolo degli stati limite, sia in campo statico che sismico, e una diversa valutazione dell’azione sismica.

In Italia la normativa “geotecnica”, fino a pochi anni fa, era basata su due decreti: in campo statico il D.M. 11/03/88 che conteneva “Norme Tecniche riguardanti le indagini sui terreni e sulle rocce, la stabilità dei pendii naturali e delle scarpate, i criteri generali e le prescrizioni per la progettazione, l’esecuzione ed il collaudo delle opere di sostegno delle terre e delle opere di fondazione”; in campo sismico il D.M. 16/01/96 che conteneva le “Norme Tecniche per le costruzioni in zone sismiche”. Il sisma del Molise del 31 Ottobre 2003 ha determinato la necessità di rivedere la classificazione sismica del territorio nazionale eseguita attraverso l’O.P.C.M. n°3274 contenente “Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismica” e successive modificazioni. L’O.P.C.M. n°3274 rappresenta un primo tentativo di allineamento della Normativa italiana con quella europea, in quanto si ispira completamente all’Eurocodice 8 contenente “Indicazioni progettuali per la resistenza sismica delle strutture”. L’allegato 1, riguardante azione sismica ed effetti di sito, riprende la parte 1 dell’EC 8 mentre l’allegato 4, riguardante fondazioni e opere di sostegno, riprende la parte 5. La maggiore innovazione introdotta riguarda i criteri per la valutazione delle azioni sismiche al suolo, rappresentate da valori di accelerazione di riferimento e da spettri di risposta elastica; infatti tale approccio ribalta la classica valutazione della pericolosità di un sito, espressa in termini di intensità sismica, ed appare senza dubbio più razionale ed adeguato al livello delle conoscenze scientifiche ormai consolidate nel campo dell’ingegneria sismica. Il problema è nato dal fatto che l’Eurocodice 8 ritiene implicito tutto quanto contenuto nell’Eurocodice 7 “Progettazione geotecnica” e quindi anche gli approcci di progetto ai coefficienti di sicurezza parziali indispensabili alla sua applicazione. Questa lacuna è stata colmata dal testo unico che ha rivisto e raccolto tutta la “Normativa Tecnica delle costruzioni”, il D.M. 14/09/2005.

In questo capitolo si effettuerà un inquadramento normativo delle costruzioni in campo geotecnico con una particolare attenzione alle paratie quali opere di sostegno più frequentemente utilizzate nelle costruzioni marittime. Questo al fine di giungere, nel prossimo capitolo, alla valutazione delle azioni sulle opere di sostegno, soffermandoci in particolare sui metodi pseudo-statici, e poter così comparare la precedente e la vigente Normativa.

4.2 Riferimenti normativi per le paratie

Per quanto le paratie siano opere di notevole diffusione, nella normativa italiana, comprese le più recenti “Norme Tecniche per le Costruzioni” (DM 14.09.2005), sono presenti in merito solo pochi cenni, per cui è prassi, per quanto possibile, far ricorso alle indicazioni fornite per i muri di sostegno. La normativa europea (Eurocodice 7 – UNI-EN 1997-1:2004 Progettazione geotecnica – Regole generali) fornisce alcuni dettagli in più relativamente alle verifiche in condizioni statiche, mentre è anch’essa carente in merito alle condizioni sismiche.

In particolare l’EC7 individua i meccanismi di collasso da considerare per le verifiche di questo tipo di opere. Secondo questa normativa sono da prevedersi verifiche di stabilità globale tenendo in conto il fenomeno della rottura progressiva (Figura 4.1). In genere questo tipo di collasso risulta essere maggiormente preoccupante per i muri di sostegno a fondazione diretta, mentre lo è meno per quanto riguarda le paratie, con superfici di scivolamento obbligate a passare al di sotto del piede della parete.

Altro meccanismo di rottura è quello di tipo rotazionale e riguarda essenzialmente il superamento della resistenza limite passiva del terreno (Figura 4.2).

Figura 4.2: Meccanismi di rottura di tipo rotazionale

Altra modalità è quella di rottura per carico verticale o punzonamento che può verificarsi in particolare se sull’opera agiscono rilevanti carichi o se gli ancoraggi hanno importanti componenti verso il basso (Figura 4.3).

Figura 4.3: Meccanismi di rottura per punzonamento

Inoltre si devono considerare le rotture degli elementi strutturali, il che vuol dire verificare che in nessuna sezione e in nessun elemento siano superati i limiti di resistenza dei materiali utilizzati (Figura 4.4).

Figura 4.4: Rotture degli elementi strutturali

Infine per paratie tirantate dovrà verificarsi l’assenza di rotture per sfilamento degli ancoraggi, il che è legato al corretto progetto del bulbo di ancoraggio, nonché della lunghezza del tratto libero che dovrà garantire la realizzazione del tratto connesso all’esterno del cuneo di spinta (Figura 4.5).

4.3 Riferimenti normativi in campo statico

4.3.1 D.M. 11/03/1988

Il metodo delle tensioni ammissibili, metodo di calcolo delle sollecitazioni consentito dal D.M. 11/03/1988, utilizza i parametri di resistenza che definiremmo caratteristici per il terreno e applica un coefficiente di sicurezza globale alla spinta passiva Fs. In normativa non ci sono riferimenti in merito al suo valore ma è prassi applicare un coefficiente con valori compresi tra 1,5 e 2; i valori più bassi sono utilizzati per opere temporanee o per condizioni transitorie. Vi sono comunque due approcci per applicare questo fattore di sicurezza:

• effettuare il calcolo con il coefficiente di spinta passiva ridotto kp/Fs. Questo metodo è utilizzato soprattutto facendo ricorso a metodi basati sull’equilibrio limite.

• effettuare l’analisi con il valore di kp non coefficientato e quindi verificare che il rapporto tra la spinta passiva massima applicabile dal terreno e la spinta effettivamente mobilitata nel cuneo di valle sia non minore del coefficiente di sicurezza fissato. Ciò presuppone l’utilizzo di metodi di calcolo che forniscono la distribuzione finale delle tensioni orizzontale a valle.

Utilizzando il primo approccio anche per la valutazione dei momenti flettenti, nella paratia si ottengono in genere sollecitazioni sensibilmente superiori a quelle ottenute con il secondo metodo.

4.3.2 Eurocodice 7 e D.M. 14/09/2005

Lo stato limite è quella condizione superata la quale la struttura, o una parte di essa, non soddisfa più le esigenze per le quali è stata progettata. Gli stati limite si dividono in stati limite ultimi, che corrispondono alle situazioni di collasso, e stati limite di esercizio, in cui la struttura ha perso le sue caratteristiche di funzionalità.

Per le verifiche agli stati limite ultimi le resistenze Rd di progetto del terreno sono determinate a partire dal valore caratteristico diviso per il coefficiente parziale γm di Tabella 4.1.

Coefficiente parziale γm Parametro

M1 M2 Tangente dell’angolo di resistenza al taglio tanφ'k 1,00 1,25

Coesione efficace c’k 1,00 1,25

Resistenza non drenata cuk 1,00 1,40

Peso dell’unità di volume γ 1,00 1,40

Tabella 4.1: Coefficienti parziali parametri terreno

Per la determinazione delle azioni invece si moltiplicano i valori caratteristici per i coefficienti parziali di Tabella 4.2.

Coefficiente parziale γm Azione Simbolo A1 A2 Permanente Sfavorevole 1,4 1,0 Permanente Favorevole γG 1,0 1,0 Variabile Sfavorevole 1,5 1,3 Variabile Favorevole γQ 0 0

Tabella 4.2: Coefficienti parziali azioni

Le “Norme Tecniche per le Costruzioni” indicano che le verifiche allo stato limite ultimo debbano essere eseguite con due combinazioni:

1 1 M A + 2 2 M A +

Si può limitare l’analisi a solo uno dei due casi se questo risulta evidentemente più gravoso. Secondo le Norme la combinazione A1 M+ 1 dovrebbe essere rilevante per le verifiche strutturali, mentre la combinazione A2+M2 per quelle geotecniche.

Le resistenze di progetto Rcd sono determinate da quelle caratteristiche Rck secondo l’espressione: m ck cd R R γ =

L’azione di progetto applicata si esprime come:

∑

In cui G e Q sono rispettivamente le azioni permanenti e variabili. Tra le azioni permanenti G le stesse norme riportano le forze indotte dalla pressione del terreno alle quali deve essere aggiunta, tenendo conto di eventuali escursioni del livello di falda, la spinta dell’acqua. I coefficienti ψ sono i coefficienti di combinazione dei carichi variabili e sono funzione del tipo di carico.

L’Eurocodice 7 introduce tre approcci di progetto che vengono riportati di seguito. Il primo approccio include due combinazioni:

1 1 1 M R A + + 1 2 2 M R A + +

In cui i coefficienti A1, A2 e M1, M2 sono gli stessi della normativa italiana e R rappresenta un altro gruppo di coefficienti parziali applicati alle resistenze del terreno riportati in Tabella 4.3.

Resistenza Simbolo R1 R2 R3

Capacità portante (base) γR,v 1,0 1,4 1,0

Scorrimento γR,h 1,0 1,1 1,0

Resistenza del terreno (spinta passiva) γR,e 1,0 1,4 1,0

Tabella 4.3: Fattori parziali di resistenza per strutture di sostegno

Le spinte di terreno e di acqua sono assimilate ad azioni esterne. Queste devono essere moltiplicate per il coefficiente parziale per le azioni permanenti sfavorevoli del caso analizzato (1,4 per la combinazione 1), che può essere semplicemente applicato amplificando il peso di unità di volume e la coesione del terreno, o il peso specifico dell’acqua (in via cautelativa si può evitare di fattorizzare il termine di coesione). In realtà su questo punto il dibattito tra la comunità scientifica è aperto perché in Normativa vengono elencate tra le azioni sia le spinte del terreno che il peso di unità di volume (Aversa e Squeglia, 2006). L’Eurocodice precisa inoltre che quando azioni permanenti, originate dalla medesima causa, presentano effetti in parte favorevoli o stabilizzanti e in parte sfavorevoli o destabilizzanti (come il peso del terreno a monte e a valle) può essere considerato lo stesso coefficiente parziale, applicato alla somma di queste azioni o agli effetti di esse.

Il secondo approccio prevede la seguente combinazione: 2 2 2 M R A + + (4.7) (4.6) (4.5)

Essa è analoga alla combinazione 1 del primo approccio con il coefficiente di spinta passivo ridotto con il fattore γ_R,e =1,4.

Il terzo approccio prevede la combinazione:

(A1 ÷ A2) +M2+R3

in cui i fattori A1 sono applicati alle azioni strutturali e le A2 a quelle geotecniche. Questo approccio coincide con la combinazione 2 dell’approccio 1 in assenza di azioni strutturali.

È evidente come le indicazioni dell’Eurocodice siano decisamente più articolate e complete. Resta comunque da verificare quanto di tutto ciò sia recepito dai Documenti di Applicazione Nazionale (DAN). L’EC 7, inoltre, precisa che se si è in presenza di terreni di media e bassa permeabilità (limi e argille) il livello della falda non dovrebbe essere inferiore alla quota superiore dello strato poco permeabile, a meno che non siano presenti efficaci sistemi di drenaggio. Se sono assenti tali sistemi è anche necessario considerare che l’afflusso di acqua può riempire fratture da ritiro o da tensione che possono formarsi in materiali coesivi. In presenza di falda dovrà prevedersi anche la verifica a sifonamento qualora sia instaurato un regime di filtrazione mentre in presenza di un tappo di fondo impermeabile (naturale o artificiale) questo deve essere verificato al sollevamento sotto le azioni idrostatiche. Come coefficienti parziali possono applicarsi quelli validi per le verifiche al galleggiamento riportati in Tabella 4.4.

Azione Simbolo Coefficiente parziale γm

Permanente Sfavorevole 1,0

Permanente Favorevole γG 0,9

Variabile Sfavorevole 1,5

Variabile Favorevole γQ 0

Tabella 4.4: Coefficienti parziali al galleggiamento

Solo nella normativa europea è inoltre previsto che, per opere in cui la stabilità dipenda dalla spinta passiva del terreno di valle, siano da prevedersi dei sovrascavi Δh che devono essere pari a:

• il 10% dell’altezza di scavo con un massimo di 50 cm per paratie a sbalzo (4.8)

• il 10% della distanza tra il sostegno più basso e il fondo scavo con un massimo di 50 cm per paratie tirantate o puntonate

Un cenno meritano anche i tiranti per cui nessuna delle due normative prevede dei coefficienti parziali da applicare ai valori di pretensione ai quali, con un po’ di forzatura, si potrebbero applicare quelli validi per la precompressione. In mancanza di indicazioni, comunque, si ritiene si possano introdurre con coefficienti unitari.

Oltre alle verifiche allo stato limite ultimo devono prevedersi quelle allo stato limite di servizio per le verifiche a fessurazione delle strutture in c.a. e per la valutazione dei cedimenti del piano campagna, assumendo le azioni permanenti e le resistenze dei materiali con i loro valori caratteristici, mentre le azioni variabili con coefficienti di partecipazione ψ ≤1 da definirsi caso per caso.

4.4 Riferimenti normativi in campo sismico

Si è già accennato al fatto che la definizione delle azioni sismiche agenti su qualsiasi manufatto presupponga l’individuazione del moto sismico al suolo, secondo un approccio originale rispetto a quanto tradizionalmente codificato nelle preesistenti normative. Tale approccio costituisce l’elemento di maggiore novità introdotto dall’ Eurocodice 8 e recepito dall’OPCM 3274 integrata nel D.M. 14/09/2005.

4.4.1 D.M. 16/01/1996

La precedente Normativa suddivideva le aree sismiche in tre categorie (I, II e III) caratterizzate da diversi gradi di sismicità S (12, 9 e 6), a cui corrispondono i cosiddetti coefficienti sismici C pari rispettivamente a 0.1, 0.7 e

0.04 (Figura 4.6). Tale classificazione scaturisce essenzialmente dalle mappe di intensità macrosismica che a loro volta si basano sull’osservazione degli effetti indotti dai terremoti in superficie, sull’ambiente fisico, sui manufatti e anche sulle persone. In pratica la classificazione sismica, e le azioni che congruentemente

si determinano, derivano da un’osservazione del Figura 4.6: Verifica

fenomeno terremoti che potremmo definire “dall’alto” e “a posteriori”: dall’alto perché si osservano sia l’ambiente fisico sia quello costruito, ed a posteriori perché si tiene conto degli effetti prodotti al termine dell’azione sismica, che sono funzione sia della pericolosità intrinseca del sito, sia della vulnerabilità dell’ambiente fisico costruito. Nella valutazione delle azioni sismiche è inoltre contemplato il ruolo delle condizioni “locali” dei terreni del sottosuolo, attraverso il cosiddetto coefficiente di fondazione ε, che incrementa le azioni sismiche del 30% per il solo caso di depositi alluvionali di spessore variabile da 5 a 20 m, soprastanti terreni coesivi o litoidi con caratteristiche meccaniche significativamente superiori. Tale coefficiente costituisce quindi una sorta di numero magico, che si basa esclusivamente sulla natura geologica del deposito, e non su valutazioni quantitative delle reali caratteristiche meccaniche dei terreni.

4.4.2 Eurocodice 8 e D.M. 14/09/2005

Il D.M. 14/09/2005, riprendendo l’Eurocodice 8, cambia completamente approccio nella valutazione della sismicità di un’area, in quanto essa scaturisce da un’osservazione del fenomeno sismico che potremmo definire “dal basso” ed “a priori”: dal basso perché si osserva direttamente il moto sismico nel suo propagarsi dal sottosuolo “profondo” verso la superficie libera, ed a priori perché la zonazione sismica tiene conto esclusivamente del moto sismico atteso (in termini di accelerazione), prima che esso produca i suoi effetti sull’ambiente fisico e costruito. In definitiva la norma attuale mira anzitutto all’identificazione del valore di una particolare accelerazione massima, al termine del viaggio del moto sismico dalla zona di origine (sorgente sismica) fino in superficie, su di una formazione rigida affiorante. Il territorio nazionale è suddiviso in zone sismiche ciascuna contrassegnata da un diverso valore del parametro ag (accelerazione orizzontale massima convenzionale su suolo rigido).

Zona Valore di ag

1 0,35 g

2 0,25 g

3 0,15 g

4 0,05 g

I valori di ag da adottare, espressi come frazione dell’accelerazione di gravità g, sono riferiti ad una probabilità di superamento del 10% in 50 anni e sono riportati in Tabella 4.5. Tale approccio è oggi applicabile grazie alla capacità consolidata di misurare e/o simulare il moto sismico ed alla disponibilità di banche di dati strumentali acquisiti in tutto il mondo. Inoltre tiene conto, certamente in maniera più razionale, della presenza dei terreni sciolti a copertura della formazione rigida, e quindi il cosiddetto effetto “locale”, previa l’individuazione di diverse classi di sottosuolo funzione della natura e di specifici parametri di comportamento meccanico dei terreni. Per la classificazione del tipo di sottosuolo la norma prescrive che essa venga effettuata in funzione del parametro Vs30 quando disponibile, al contrario rimanda all’utilizzazione dei risultati di prove penetrometriche SPT.

L’analisi pseudo-statica è possibile anche con la Normativa vigente e l’azione sismica viene rappresentata da una serie di forze statiche equivalenti, orizzontali e verticali, date dal prodotto dei pesi delle masse in gioco per i cosiddetti coefficienti sismici (Figura 4.7). Le forze sismiche verticali posso agire sia verso il basso che verso l’alto e vengono adottate quelle a cui corrispondono gli effetti più sfavorevoli. In definitiva, in assenza di studi specifici, il coefficiente sismico orizzontale kh è così definito: r g S a k_h gR I ⋅ ⋅ ⋅ = γ

con r coefficiente che tiene conto di eventuali spostamenti ammissibili per l’opera in funzione della sua tipologia; agR è l’accelerazione di picco di riferimento su suolo rigido affiorante; γI è il fattore di importanza; S è il fattore di suolo. Il coefficiente sismico verticale kv è definito in funzione di kh e vale:

h

v k

k =±0,5⋅

Per le verifiche in condizioni sismiche le azioni devono essere combinate secondo l’espressione:

(4.9)

(4.10)

Figura 4.7: Verifica pseudo-statica D.M. 14/09/2005

Q G

E

F_cd = + +ψ ⋅

avendo indicato con E le azioni sismiche e ψ il coefficiente di combinazione. Le azioni sismiche devono comprendere sia gli incrementi di spinta del terreno generati dal terremoto sia le forze orizzontali e verticali generate dall’inerzia delle masse strutturali. Il coefficiente ψ <1 va fissato sulla base delle indicazioni di normativa in relazione alla tipologia di opera. Né l’OPCM n°3274 né l’EC 8 citano esplicitamente il fattore di importanza nella combinazione di carico, per coerenza appare comunque necessario applicare lo stesso coefficiente utilizzato nella struttura principale di cui la paratia fa parte. In condizioni sismiche i parametri di resistenza del terreno devono essere comunque ridotti con i coefficienti parziali del caso M2. In presenza di terreni sabbiosi in falda una particolare attenzione da porre è la suscettibilità alla liquefazione dei materiali che prescinde dalle considerazioni sulle spinte della parete e della stabilità dell’equilibrio. L’appendice B dell’Eurocodice 8 contiene dei grafici empirici per le verifiche semplificate alla liquefazione e la stessa normativa indica un coefficiente di sicurezza non minore di 2.