Hevelius: Argomenti di ingegneria geotecnica

Nel testo vengono dapprima richiamati i concetti base sulla liquefazione e sulla resistenza del terreno ad azioni cicliche, partendo dal comportamento dell'elemento di volume fino a quello alla scala delle opere; vengono descritti i meccanismi di collasso innescati dalla liquefazione e le tipologie di danno attese. Sono poi passati in rassegna i diversi metodi di analisi, dai più semplici ai più sofisticati, approfondendo in particolare la trattazione dei metodi semiempirici che sono i più diffusi nelle applicazioni, trovano riferimento in molte indicazioni normative e, comunque, costituiscono un primo livello rispetto ad eventuali analisi più approfondite. Il volume si conclude con la presentazione di una serie di casi di studio ben documentati, molto utili per una valutazione del significato e dei limiti dei metodi di analisi.

Azioni sismiche e comportamento meccanico dei terreni; risposta sismica di un sottosuolo ideale e di un sottosuolo reale; lezioni da "case histories"; risposta sismica locale e normativa. Lo studio della risposta di un sottosuolo alle azioni sismiche o, come si dice, dell'amplificazione locale delle azioni sismiche, viene condotto con diverse finalità. Esso consente di definire il cosiddetto moto free field, che costituisce la prima indispensabile fase delle analisi di interazione dinamica terreno-struttura. Consente inoltre la previsione delle deformazioni permanenti del suolo, e la quantificazione del rischio di fenomeni di instabilità quali le frane o la liquefazione. Infine, costituisce la base più razionale per gli studi di microzonazione sismica.

È immediato rendersi conto che innumerevoli problemi di conservazione del patrimonio storico e artistico hanno un forte contenuto geotecnico; basta pensare alla Torre di Pisa (e alle tante altre torri di cui è ricco il nostro Paese), ai centri storici e ai monumenti minacciati dalle frane, agli effetti dello scavo di gallerie urbane sul tessuto edificato, e via enumerando. Dal punto di vista di un Ingegnere Geotecnico questi problemi sembrerebbero non dissimili da quelli usuali delle nuove costruzioni; e invece sono fortemente caratterizzati dall'esigenza di rispettare quel valore immateriale che è l'integrità del bene, un concetto complesso ed elusivo, con molte sfumature e molti aspetti. In questo trentesimo volumetto della nostra collana, dopo alcune semplici considerazioni di carattere generale, vengono presentati una serie di casi reali che costituiscono un'esemplificazione dei problemi da affrontare e un campionario di possibili soluzioni. Viene sottolineato che i requisiti della sicurezza e del rispetto dell'integrità possono trovarsi in contrasto, e richiedono un approccio interdisciplinare che a sua volta si basa sullo sviluppo di una cultura condivisa e un linguaggio comune fra specialisti di discipline tanto diverse come l'Ingegneria da un lato e la Storia dell'Arte, l'Archeologia, il Restauro dall'altro. Eppure questa è una condizione necessaria, ma non certo sufficiente. Attualmente la devastazione del paesaggio in Italia è drammatica; i meccanismi di tutela si sono logorati per la confusione normativa e la scarsità di risorse destinate alla conservazione dei beni artistici e storici. È necessario che si ricrei il concetto alto e forte di cittadinanza delle città medioevali; la salvezza del nostro patrimonio culturale si gioca sul ruolo che gli assegniamo.

Il volume affronta il problema del dimensionamento e della verifica delle strutture di sostegno più comuni rispetto agli stati limite ultimi di tipo geotecnico, che più frequentemente condizionano le scelte progettuali. Dopo una breve panoramica sulle principali tipologie costruttive e sulle attuali disposizioni normative in merito a tali opere geotecniche, il testo presenta una dettagliata esposizione di alcune tra le principali soluzioni disponibili per la valutazione delle spinte trasmesse dal terreno alla struttura in condizioni di equilibrio limite. Successivamente, vengono esposti i criteri di predimensionamento e le metodologie di verifica della sicurezza agli stati limite ultimi dei muri di sostegno e delle paratie, secondo gli approcci previsti dalle attuali Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC 2008). Il testo, che ha un carattere prevalentemente applicativo, è rivolto agli studenti delle lauree magistrali in Ingegneria Civile, Ingegneria per l'Ambiente ed il Territorio, della laurea a ciclo unico in Ingegneria Edile/Architettura, ed ai professionisti che operano nel settore dell'Ingegneria Civile.

Le barriere paramassi sono strutture perlopiù metalliche installate lungo un versante allo scopo di intercettare la caduta di blocchi di roccia e di arrestarli dissipandone, all'impatto, l'elevata energia cinetica. Esse rientrano tra i sistemi di protezione passiva per la messa in sicurezza di insediamenti e infrastrutture e sono sempre più impiegate nelle procedure di analisi e mitigazione del rischio da frane di crollo, anche grazie al loro relativamente basso impatto ambientale e alle loro semplici modalità di installazione e manutenzione. Un primo importante passo verso l'utilizzo di barriere paramassi opportunamente dimensionate e certificate è stato effettuato con la recente approvazione della Linea Guida europea, che ha consentito di standardizzare le relative procedure di prova in vera grandezza. L'ingegneria geotecnica può e deve svolgere un ruolo di primo piano in molti aspetti che riguardano il loro progetto, in linea con gli indirizzi della più recente normativa tecnica. I modelli fisici e numerici illustrati nel volume consentono di affrontare, tra l'altro, il corretto e ottimale dimensionamento dei relativi elementi di fondazione e degli ancoraggi, in virtù di una stima il più possibile affidabile delle sollecitazioni cui sono soggetti in condizioni dinamiche e sotto diversi scenari di impatto. Un approccio metodologico consistente può inoltre consentire di affrontare in maniera più accurata la valutazione dell'efficacia delle strutture esistenti, in caso di informazioni disponibili limitate e in relazione al loro stato di conservazione, ai fini della stima di pericolosità del versante in presenza di opere di difesa.

La prima e la seconda delle vicende di Ingegneria Geotecnica che sono raccontate in questo libro si rifanno alla storia. Nella prima, si segue lo sviluppo del pensiero scientifico da Archimede e Euclide a Galileo e Newton, con la lunga parentesi del Medio Evo, e si esplorano i rapporti fra la Scienza e l'Ingegneria. Nella seconda si descrivono tre monumentali opere di ingegneria prescientifica: le gallerie romane nei Campi Flegrei realizzate nel I secolo a.C. da Lucio Cocceio Aucto. Queste gallerie sono state a lungo utilizzate, talvolta fin quasi al secolo scorso, e poi gradualmente abbandonate al degrado e dimenticate. La terza ricorda la straordinaria vicenda di Terzaghi e della sua disputa con Fillunger sulla teoria della consolidazione, nella Vienna degli anni '30 del '900. Poi la vicenda del sottosuolo di Napoli, dei rischi che esso pone in essere per la città e dei modi in cui si è tentato di mitigare questi rischi, storia anch'essa ricca di insegnamenti e probabilmente in gran parte sconosciuta. Infine, il racconto degli assidui sforzi che, a partire dalla metà del XIX secolo, sono stati condotti per comprendere il fenomeno dell'inclinazione della Torre di Pisa e dei successivi interventi che, dopo molti tentativi e qualche errore, hanno portato alla stabilizzazione della Torre.

Il congelamento dei terreni è stato utilizzato per la prima volta in ingegneria civile nel Galles del Sud nel 1862; il procedimento fu poi brevettato in Germania da Poetsch sempre nel 1862. La prima applicazione in Italia risale al 1937, per il recupero dell'Ara Pacis Augustae a Roma. Dopo di allora, in Italia e nel mondo intero ci sono state innumerevoli applicazioni del procedimento; fra le più recenti, gli interventi per lo scavo di alcune stazioni della Linea 1 della Metropolitana di Napoli. Si tratta, quindi, di una tecnica ormai ben nota e largamente impiegata. Malgrado la sua diffusione, tuttavia, non si può certo dire che il congelamento sia altrettanto largamente conosciuto nei suoi principi fisici e nelle sue tecnologie applicative.

Lo Standard Penetration Test (SPT) viene guardato con una certa sufficienza; in effetti si tratta di una prova relativamente grossolana, sensibile a fattori tecnologici e quindi affetta da una marcata dispersione e non completamente standardizzata. Tuttavia questa prova può essere eseguita nel corso di qualsiasi tipo di sondaggio, e praticamente in qualsiasi terreno, e pertanto costituisce uno degli strumenti più diffusi dell’armamentario dell’ingegnere geotecnico; per essa è stata accumulata una vastissima messe di dati sperimentali. Negli ultimi decenni, poi, sono state condotte ampie e approfondite ricerche sperimentali - quasi sempre facendo uso di camere di calibrazione - che hanno consentito di precisare e approfondire le relazioni fra i risultati della prova e le caratteristiche meccaniche dei terreni. Diego Lo Presti è professore Associato di Geotecnica presso l’Università di Pisa, dopo un’attività ventennale presso il Politecnico di Torino. E' presidente del Corso di Laurea Specialistica (Infrastrutture Civili) e svolge attività di ricerca prevalentemente nel settore della dinamica dei terreni e delle indagini geotecniche. Nunziante Squeglia è Ricercatore presso l'Università di Pisa, dove tiene corsi di Geotecnica (Corso Edile - Architettura) e di Fondazioni Profonde. Svolge attività di ricerca prevalentemente di tipo sperimentale finalizzate all’uso e allo sviluppo di nuove attrezzature.

Costi sociali, pulizia di fogne, perforazioni direzionali, riparazione di condotti deteriorati: sono termini e argomenti un po' insoliti nella nostra collana, in genere più centrata sui familiari problemi di Meccanica dei Terreni e Ingegneria Geotecnica, e appartengono al settore delle cosiddette trenchless technologies o tecnologie senza scavo. Il sottosuolo delle aree urbanizzate è ormai percorso da una fitta rete di cunicoli e condotti di vario tipo: drenaggi, fognature, gallerie di sottoservizi, acquedotti, cavidotti. Nelle città storiche, come le nostre, a questo si accompagna la stratificazione del sottosuolo prodotta da secoli o millenni di insediamenti umani. Ogni intervento di manutenzione, integrazione, riparazione, ampliamento comporta in genere l'apertura in superficie di cantieri di scavo. Questi interferiscono con la nostra vita quotidiana, già caotica e affannosa, e generano alti costi sociali. Ecco perché, negli anni recenti, le tecnologie senza scavo hanno conosciuto un grande sviluppo, tanto da configurarsi come un settore di tutto rilievo dell'industria delle costruzioni. Nel nostro Paese tali tecniche sono abbastanza diffuse, ma assai poco conosciute e pertanto spesso non ne vengono colti e utilizzati i vantaggi. Pensiamo quindi che questo libro, a esse dedicato, possa essere utile e tempestivo.

La ricostruzione del regime di filtrazione e della distribuzione delle pressioni interstiziali è un tema con rilevanti ricadute applicative. Si tratta di un problema complesso anche perché marcatamente influenzato dai dettagli geologici. Molti insuccessi nel campo della progettazione geotecnica sono riconducibili all'impiego di modelli geotecnici di sottosuolo non idonei a descrivere con la necessaria accuratezza il regime di filtrazione e/o eventuali modifiche indotte dalla realizzazione delle opere. Il libro affronta il tema in termini generali fornendo al lettore un inquadramento razionale dell'argomento e gli strumenti concettuali e operativi essenziali. Il livello di approfondimento è adeguato per affrontare la gran parte dei problemi di filtrazione caratteristici delle applicazioni di Ingegneria Geotecnica. Particolare attenzione è riservata ai temuti fenomeni di sifonamento e di sollevamento di fondo scavo che coinvolgono la stabilità delle opere.

Il volume illustra una particolare classe di metodi, noti come metodi della analisi limite, largamente impiegati nella pratica per la determinazione approssimata delle condizioni di collasso di strutture geotecniche quali fondazioni, opere di sostegno e corpi di terreno naturali o artificiali. Tali metodi, basati sui cosiddetti teoremi di estremo della teoria della plasticità, forniscono – attraverso procedure semplificate e di rapida applicazione – dei valori approssimati per eccesso o per difetto del carico di collasso della struttura e dunque consentono di delimitare, in maniera rigorosa, la soluzione esatta del problema di collasso. Grande attenzione è rivolta sia ai fondamenti teorici della analisi limite nelle applicazioni alla ingegneria geotecnica – con particolare riferimento alla formulazione delle leggi di evoluzione della teoria della plasticità perfetta e dei due teoremi di estremo nel rispetto del principio delle tensioni efficaci – sia alle tecniche più frequentemente impiegate per ottenere soluzioni staticamente ammissibili o cinematicamente compatibili, con numerosi esempi di applicazione a problemi quali la determinazione del carico di collasso di una fondazione nastriforme, della altezza limite di uno scavo e delle spinte attiva e passiva su un muro di sostegno.