Formulario di Geotecnica – Verifica agli stati ultimi SLU ed alle condizioni di esercizio SLE (D.M. 17.1.2018 – NTC 2018)

*** sezione in costruzione ***

Il geologo deve conoscere i parametri che permettono la valutazione della sicurezza in ambito costruttivo. Il D.M. 17.1.2018 (DM-2018) definisce in modo analitico questi parametri.

Le opere e le componenti strutturali devono essere progettate, eseguite, collaudate e soggette a manutenzione in modo tale da consentirne la prevista utilizzazione, in forma economicamente sostenibile e con il livello di sicurezza previsto dal DM-2018

Sicurezza e prestazioni attese

La sicurezza e le prestazioni di un’opera o di una parte di essa devono essere valutate in relazione agli stati limite che si possono verificare durante la vita nominale di progetto (V_N)

Vita nominale di progetto (tab. 2.4.I)

TIPI DI COSTRUZIONI	VALORI MINIMI DI VN (anni)
temporanee e provvisorie	10
con livelli di prestazioni ordinati	50
con livelli di prestazioni elevati	100

 

 

V_N  = N_a (vita nominale di un progetto di un’opera) [a]

N_a (numero di anni durante i quali l’opera, purchè soggetta alla necessaria manutenzione,  mantenga specifici livelli prestazionali)

Azione sulle costruzioni

Azione (causa o insieme di cause capaci di indurre stati limiti limite in una struttura)

Classificazione dell azioni

 

Caratterizzazione delle azioni elementari

Durata relativa ai livelli di intensità di un azione variabile (Q)

VALORE	ESPRESSIONE	DESCRIZIONE
QUASI -PERMANENTE	ψ2j · Qkj	valore istantaneo superato oltre il 50% nel tr (periodo di riferimento)
FREQUENTE	ψ1j · Qkj	valore superato per un periodo totale di tempo che rappresenti una piccola frazione di tr
DI COMBINAZIONE	ψ0j · Qkj	valore tale che la probabilità di superamento degli effetti causati dalla concomitanza con altre azioni sia circa la stessa di quella associata al valore caratteristico di una singola azione

 

• se la caratterizzazione probabilistica dell’azione non è disponibile ad essa può essere attributo il valore nominale

Valori dei coefficienti di combinazione

CATEGORIA	AZIONE VARIABILE	ψ0j	ψ1j	ψ02j
A	Ambienti ad uso residenziale	0,7	0,5	0,3
B	Uffici	0,7	0,5	0.3
C	Ambienti suscettibili di affollamento	0,7	0,7	0,6
D	Ambienti ad uso commerciale	0,7	0,7	0,6
E	Aree di immagazzinamento Aree ad uso commerciale Aree ad uso industriale Biblioteche Archivi Magazzini e ambienti ad uso industriale	1	0,9	0,8
F	Rimesse Parcheggi Aree per il traffico di veicoli (per autoveicoli di p ≤ 30 kN	0,7	0,7	0,6

 

Combinazioni delle azioni

TIPO DI COMBINAZIONE	ESPRESSIONE
FONDAMENTALE (SLU)	γG1 · G1 + γG2 · G2 + γP · P + γQ1 · Qk1+ γQ2 · ψ02 · Qk2  +γQ3 · ψ03 · Qk3 + …
CARATTERISTICA (SLE) irreversibili	G1 + G2 + P + Qk1 + ψ02 · Qk2 + ψ03 · Qk3+ …
FREQUENTE (SLE) reversibili	G1 + G2 + P + ψ11 · Qk1 + ψ22 · Qk2 + ψ23 · Qk3 + …
QUASI PERMANENTE (SLE) effetti a lungo termine	G1 + G2 + P + ψ21 · Qk1 + ψ22 · Qk2 + ψ23 · Qk3 + …
SISMICA (SLU – E)	E + G1 + G2 + P + ψ21 · Qk1 + ψ22 · Qk2 + …
ECCEZIONALE (SLU -A)	G1 + G2 + P + Ad + ψ21 · Qk1 + ψ22 · Qk2 + …

 

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Definizione di Stati limite (SL)

Condizione superata la quale l’opera non soddisfa più le esigenze elencate nel DM-2108 presenti norme.

Requisiti per le opere e le varie tipologie strutturali 

SICUREZZA NEI CONFRONTI DEGLI STATI LIMITE ULTIMI (SLU)	capacità di evitare crolli, perdite di equilibrio e dissesti gravi, totali o parziali, che possano compromettere l’incolumità delle persone oppure comportare la perdita di beni, oppure provocare gravi danni ambientali e sociali, oppure mettere fuori servizio l’opera
SICUREZZA NEI CONFRONTI DEGLI STATI LIMITE DI ESERCIZIO (SLE)	capacità di garantire le prestazioni previste per le condizioni di esercizio
SICUREZZA ANTINCENDIO	capacità di garantire le prestazioni strutturali previste in caso d’incendio, per un periodo richiesto
DURABILITA’	capacità della costruzione di mantenere, nell’arco della VN di progetto, i livelli prestazionali per i quali è stata progettata, tenuto conto delle caratteristiche ambientali in cui si trova e del livello previsto di manutenzione
ROBUSTEZZA	capacità di evitare danni sproporzionati rispetto all’entità di possibili cause innescanti eccezionali quali esplosioni e urti

 

• Il superamento di uno SLU ha carattere irreversibile
• Il superamento di uno SLE può avere carattere reversibile o irreversibile
• Per le opere esistenti è possibile fare riferimento a livelli di sicurezza diversi da quelli delle nuove opere ed è anche possibile considerare solo gli SLU
• I materiali ed i prodotti, per poter essere utilizzati nelle opere previste dal DM, devono essere sottoposti a procedure e prove sperimentali di accettazione
• La fornitura di componenti, sistemi o prodotti, impiegati per fini strutturali, deve essere accompagnata da un manuale di installazione e di manutenzione da allegare alla documentazione dell’opera
• I componenti, i sistemi e i prodotti edili od impiantistici, non facenti parte del complesso strutturale, ma che svolgono funzione statica autonoma, devono essere progettati ed installati nel rispetto dei livelli di sicurezza e delle prestazioni di seguito prescritti

In mancanza di specifiche indicazioni, si dovrà fare ricorso ad opportune indagini, eventualmente anche sperimentali, o a documenti, normativi e non, di comprovata validità.

Sicurezza nei confronti degli stati limite – Opere e tipologie strutturali

Requisiti delle opere strutturali

SLU	perdita di equilibrio della struttura o di una sua parte, considerati come corpi rigidi
	spostamenti o deformazioni eccessive
	raggiungimento della massima capacità di parti di strutture, collegamenti, fondazioni
	raggiungimento della massima capacità della struttura nel suo insieme
	raggiungimento di una condizione di cinematismo irreversibile
	raggiungimento di meccanismi di collasso nei terreni
	rottura di membrature e collegamenti per fatica
	rottura di membrature e collegamenti per altri effetti dipendenti dal tempo
	instabilità di parti della struttura o del suo insieme
	Altri stati limite ultimi sono considerati in relazione alle specificità delle singole opere
	In presenza di azioni sismiche Stati Limite di salvaguardia della Vita (SLV) Stati Limite di prevenzione del Collasso (SLC)
SLE	danneggiamenti locali (ad es. eccessiva fessurazione del calcestruzzo) che possano ridurre la durabilità della struttura, la sua efficienza o il suo aspetto
	spostamenti e deformazioni che possano limitare l’uso della costruzione, la sua efficienza e il suo aspetto
	spostamenti e deformazioni che possano compromettere l’efficienza e l’aspetto di elementi non strutturali, impianti, macchinari
	vibrazioni che possano compromettere l’uso della costruzione
	danni per fatica che possano compromettere la durabilità
	corrosione e/o degrado dei materiali in funzione del tempo e dell’ambiente di esposizione che possano compromettere la durabilità
	Altri stati limite sono considerati in relazione alle specificità delle singole opere
	in presenza di azioni sismiche, Stati Limite di Operatività (SLO) Stati Limite di Danno (SLD)

 

Le opere strutturali devono essere verificate, salvo diversa indicazione riportata nelle specifiche parti del DM-2018:
a) per gli SLU che possono presentarsi;
b) per gli SLE definiti in relazione alle prestazioni attese;
c) quando necessario, nei confronti degli effetti derivanti dalle azioni termiche connesse con lo sviluppo di un incendio.

Le verifiche delle opere strutturali devono essere contenute nei documenti di progetto, con riferimento alle prescritte caratteristiche meccaniche dei materiali e alla caratterizzazione geotecnica del terreno, dedotta – ove specificato dal DM – in
base a specifiche indagini. Laddove necessario, la struttura deve essere verificata nelle fasi intermedie, tenuto conto del processo costruttivo previsto; le verifiche per queste situazioni transitorie sono generalmente condotte nei confronti dei soli SLU.

Valutazione della sicurezza

Relazione fondamentale di verifica alla sicurezza 

Metodo agli stati limite

 E_d ≤ R_d

R_d  = f (χ_d ,  a_d) (capacità di progetto)

χ_d = f (χ_k ,  γ_M) (caratteristiche meccaniche dei materiali)
χ_d = χ_k/γ_M

χ_k  (valore caratteristico della resistenza definito come frattile 5 % della distribuzione statistica della grandezza)
γ_M    (fattore parziale associato alla resistenza del materiale)
a_d    (valori nominali delle grandezze geometriche interessate)

E_d  = f (F_d, a_d)      (valore di progetto della domanda)

Fd = γ_F · F_k          (valore di progetto delle azioni agenti sulla struttura)

F_k (fattore caratteristico del valore di progetto delle azioni agenti sulla strutture definito come frattile 95% della distribuzione statistica o come valore caratterizzato da un assegnato periodo di ritorno)
γ_F(fattore parziale relativo alle azioni)

Concomitanza di più azioni variabili di origine diversa 

ψ₀  F_k (valore di combinazione)

ψ₀ ≤ 1 (coefficiente di combinazione)

• ψ₀ tiene conto della della ridotta probabilità che più azioni di diversa origine si realizzino simultaneamente con il loro valore caratteristico. Per grandezze caratterizzate da distribuzioni con coefficienti di variazione minori di 0,10, oppure per grandezze che non riguardino univocamente resistenze o azioni, si possono considerare i valori nominali, coincidenti con i valori medi

Classi d’uso

CLASSI D’USO	TIPO DI COSTRUZIONE	DEFINIZIONE CLASSE
I	Costruzioni Edifici agricoli	con presenza solo occasionale di persone
II	Costruzioni	il cui uso preveda normali affollamenti senza contenuti pericolosi per l’ambiente e senza funzioni pubbliche e sociali essenziali
	Industrie	con attività non pericolose per l’ambiente
	Ponti Opere infrastrutturali Reti viarie	non ricadenti in Classe d’uso III o in Classe d’uso IV
	Reti ferroviarie	la cui interruzione non provochi situazioni di emergenza
	Dighe	il cui collasso non provochi conseguenze rilevanti.
III	Costruzioni	il cui uso preveda affollamenti significativi.
	Industrie	con attività pericolose per l’ambiente.
	Ponti Reti ferroviarie	la cui interruzione provochi situazioni di emergenza
	Reti viarie extraurbane	non ricadenti in Classe d’uso IV
	Dighe	rilevanti per le conseguenze di un loro eventuale collasso
IV	Costruzioni	con funzioni pubbliche o strategiche importanti, anche con riferimento alla gestione della protezione civile in caso di calamità
	Industrie	con attività particolarmente pericolose per l’ambiente
	Reti viarie	di tipo A o B, di cui al DM 5/11/2001, n. 6792, “Norme funzionali e geometriche per la costruzione delle strade”, e di tipo C quando appartenenti ad itinerari di collegamento tra capoluoghi di provincia non altresì serviti da strade di tipo A o B
	Ponti Reti ferroviarie	di importanza critica per il mantenimento delle vie di comunicazione, particolarmente dopo un evento sismico
	Dighe	connesse al funzionamento di acquedotti e a impianti di produzione di energia elettrica

 

Periodo di riferimento per l’azione sismica (V_R)

V_R = V_N · C_U      (periodo di riferimento per l’azione sismica)

C_U (coefficiente d’uso)

CLASSE D’USO	I	II	III	IV
COEFFICIENTE CU	0,7	1,0	1,5	2,0

 

Valori dei coefficienti di combinazione

CATEGORIA	AZIONE VARIABILE	ψ0j	ψ2j	ψ0j
A	Ambienti ad uso residenziale	0,7	0,5	0,3
B	Uffici	0,7	0,5	0.3
C	Ambienti suscettibili di affollamento	0,7	0,7	0,6
D	Ambienti ad uso commerciale	0,7	0,7	0,6
E	Aree di immagazzinamento Aree ad uso commerciale Aree ad uso industriale Biblioteche Archivi Magazzini e ambienti ad uso industriale	1	0,9	0,8
F	Rimesse Parcheggi Aree per il traffico di veicoli (per autoveicoli di p ≤ 30 kN	0,7	0,7	0,6

 

Verifiche della sicurezza e delle prestazioni

Questo tipo di verifiche riguardano aspetti geotecnici della progettazione e della esecuzione di opere ed interventi che interagiscono con il terreno ed in particolare tratta di:

• opere di fondazione
• opere di sostegno
• opere in sotterraneo
• opere e manufatti di materiali sciolti naturali o di provenienza diversa
• fronti di scavo
• consolidamento
• miglioramento e rinforzo dei terreni e degli ammassi rocciosi
• consolidamento di opere esistenti
• sicurezza dei pendii naturali
• fattibilità di interventi che hanno riflessi su grandi aree

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Stati limite ultimi (SLU)

Tipi di SLU

EQU	SL di equilibrio come corpo rigido	perdita di equilibrio della struttura fuori terra, considerata come corpo rigido
STR	SL di resistenza della struttura compresi gli elementi di fondazione	raggiungimento della resistenza degli elementi strutturali, compresi gli elementi di fondazione e tutti gli altri elementi strutturali che eventualmente interagiscono con il terreno
GEO	SL di resistenza del terreno	raggiungimento della resistenza del terreno interagente con la struttura con sviluppo di meccanismi di collasso dell’insieme terreno-struttura
UPL		perdita di equilibrio della struttura o del terreno, dovuta alla spinta dell’acqua (Sw) (sollevamento per galleggiamento)
HYD		erosione e sifonamento del terreno dovuta ai gradienti idraulici

Coefficienti parziali per le azioni (γ_F) e per l’effetto delle azioni nelle verifiche agli SLU (Tab. 6.2.I e 6.2.III – D.M. 17.01.2018)

• γ_G1 (coefficiente parziale dei carichi permanenti strutturali  G1)
• γ_G2 (coefficiente parziale dei carichi permanenti non strutturali G1)
• γ_Q (coefficiente parziale delle azioni variabili)
• γ_Pr (coefficiente parziale della precompressione)
• ** (nessun coefficiente relativo alle azioni)

N.B.  sono considerati carichi permanenti strutturali (G1) il terreno e l’acqua 

GEO/STR elementi strutturali che coinvolgano azioni di tipo geotecnico (plinti, platee, pali, muri di sostegno)

STR (componenti strutturali che non coinvolgano azioni di tipo geotecnico)

APP 1 (approccio 1)
APP 2 (approccio 2)

C1 (combinazione 1)
C2 (combinazione 2)

C* (combinazione unica)
C (combinazione per EQU)

* terreno e acqua costituiscono carichi permanenti (strutturali) quando, nella modellizzazione utilizzata, contribuiscono al comportamento dell’opera con le loro caratteristiche di peso, resistenza e rigidezza 

Verifica della sicurezza degli stati limite ultimi (SLU) 

E_instd ≤ E_{stb d} (condizione per ogni stato limite per perdita di equilibrio EQU)

E_instd  (valore di progetto dell’azione instabilizzante)
E_stb     (valore di progetto dell’azione stabilizzante)

• si utilizzano come fattori parziali per le azioni i valori di γ_F

Verifica della sicurezza degli stati limite ultimi (SLU) 

E_d ≤  R_d (condizione per ogni stato limite ultimo che preveda il raggiungimento della resistenza di un elemento strutturale (STR) o del terreno (GEO)

E_d (valore di progetto dell’azione io dell’effetto  dell’azione)

R_d (valore di progetto dell’azione stabilizzante)

• si utilizzano come fattori parziali per le azioni i valori di γ_F

Valore di E_d

Ed (effetto delle azioni)
γ_FF_k (azioni di progetto)
X_k/γ_M (parametri geotecnici di progetto)
a_d (parametri geometrici di progetto a_d)

Calcolo di R_d (valore di progetto della resistenza)

Metodi di calcolo di Rd

1. metodo analitico con riferimento al valore caratteristico dei parametri geotecnici del terreno

x_{k /} γ_M 

γ_M  (coefficiente parziale )
x_k (parametro geotecnico del terreno)

2. in modo analitico, con riferimento a correlazioni con i risultati di prove in sito, tenendo conto dei coefficienti parziali γ_R (vedi sezioni succcessive) relativi a ciascun tipo di opera
3. sulla base di misure dirette su prototipi, tenendo conto dei coefficienti parziali γ_R (vedi sezioni successive) relativi a ciascun tipo di opera

Coefficienti parziali per i parametri geotecnici del terreno (Tab. 6.2.II – D.M. 17.01.2018)

TIPOLOGIA	DESCRIZIONE PARAMETRO	PARAMETRO GEOTECNICO DEL TERRENO	COEFF.	CASI
		xk	γM	(M1)	(M2)
TERRENI A STRUTTURA SEMPLICE	TANGENTE DELL’ANGOLO DI RESISTENZA	tan φ’k	γφ’	1,00	1,25
	PESO DELL’UNITA’ DI VOLUME	γ	γγ	1,00	1,00
	COESIONE EFFICACE	c’k	γc’k	1,00	1,25
	COESIONE NON DRENATA	cu	γcu	1,00	1,00
TERRENI A STRUTTURA COMPLESSA o AMMASSI ROCCIOSI	VALORE CARATTERISTICO DELLA RESISTENZA UNITARIA AL TAGLIO	τR	γτR	1,00	1,25

 

M1 – se viene preso in considerazione il gruppo A1
M2 – se viene preso in considerazione il gruppo A2

Per gli ammassi rocciosi e per i terreni a struttura complessa, nella valutazione della resistenza caratteristica occorre tener conto della natura e delle caratteristiche geometriche e di resistenza delle discontinuità strutturali.

Verifiche strutturali con l’analisi di interazione terreno-struttura

Le analisi finalizzate al dimensionamento strutturale (STRU) nelle quali si consideri l’interazione terreno-struttura si eseguono con i valori
caratteristici dei parametri geotecnici, amplificando l’effetto delle azioni con i coefficienti parziali del gruppo A1.

Valore di R_d

Rd (resistenza di progetto)
γ_R (coefficiente parziale di sicurezza)

In accordo a quanto stabilito, la verifica della condizione deve essere effettuata impiegando diverse combinazioni di gruppi di coefficienti parziali, rispettivamente definiti:

	APP1		APP2
	C1	C2	C*
AZIONI	A1	A2	A1
PARAMETRI GEOTECNICI	M1	M2	M1
RESISTENZE	R1*	R2	R3

 

APP 1 (approccio 1)
APP 2 (approccio 2)
C1     (combinazione 1)
C2     (combinazione 2)
C*     (combinazione unica)

I diversi gruppi di coefficienti di sicurezza parziali sono scelti nell’ambito di due approcci progettuali distinti e alternativi.
Nel primo approccio progettuale (Approccio 1) le verifiche si eseguono con due diverse combinazioni di gruppi di coefficienti ognuna delle quali può essere critica per differenti aspetti dello stesso progetto.
Nel secondo approccio progettuale (Approccio 2) le verifiche si eseguono con un’unica combinazione di gruppi di coefficienti.

Per le verifiche nei confronti di stati limite ultimi non espressamente trattati nelle successive sezioni si utilizza l’Approccio 1 con le due combinazioni (A1+M1+R1) e (A2+M2+R2). I fattori parziali per il gruppo R1 sono sempre unitari; quelli del gruppo R2 possono essere maggiori o uguali all’unità e, in assenza di indicazioni specifiche per lo stato limite ultimo considerato, devono essere scelti dal progettista in relazione alle incertezze connesse con i procedimenti adottati.

Coefficienti parziali sulle azioni per le verifiche nei confronti di stati limite di sollevamento

Nella valutazione delle pressioni interstiziali e delle quote piezometriche caratteristiche, si devono assumere le condizioni più sfavorevoli, considerando i possibili effetti delle condizioni stratigrafiche.

Condizione per la stabilità al sollevamento

V_inst,d ≤ G_stb,d + Rd

V_inst,d  (valore di progetto dell’azione instabilizzante)
dove V_inst,d = G_inst,d + Q_inst,d

Ginst,d  (pressioni idrauliche ottenuta considerando la parte permanente)
Qinst,d  (pressioni idrauliche ottenuta considerando la parte variabile)
G_stb,d    (valori di progetto delle azioni stabilizzanti)
Rd         (valori di progetto delle  resistenze)

Coefficienti parziali sulle azioni per le verifiche nei confronti di stati limite di sollevamento (Tab 6.2.III – D.M. 17.01.2018)

AZIONI		COEFFICIENTE		SOLLEVAMENTO
TIPOLOGIA	EFFETTO	γF (o γE )		(UPL)
CARICHI PERMANENTI (G1)	FAVOREVOLE	γG1		0,9
	SFAVOREVOLE			1,1
CARICHI PERMANENTI NON STRUTTURALI (G2)*	FAVOREVOLE	γG2		0,8
	SFAVOREVOLE			1,5
AZIONI VARIABILI (Q)	FAVOREVOLE	γQi		0,0
	SFAVOREVOLE			1,5

 

*per i carichi permanenti G2 si applica quanto indicato alla Tabella 2.6.I. Per la spinta delle terre si fa riferimento ai coefficienti γ_G1

Al fine del calcolo della resistenza di progetto R_d, tali coefficienti devono essere combinati in modo opportuno con quelli relativi ai parametri geotecnici (M2). Ove necessario, il calcolo della resistenza va eseguito in accordo a quanto indicato nelle successive sezioni  per le fondazioni su pali e per gli ancoraggi.

Verifiche di stabilità SLU idraulici (sifonamento e sollevamento)

Verifiche di sicurezza in riferimento alla stabilità dei pendii

*** sezione in costruzione ***

Verifiche degli SLU 

Fondazioni superficiali

Fondazioni su pali

Opere di sostegno

#

Muri di sostegno

Paratie

Sicurezza nei confronti degli stati limite di esercizio (SLE) – Opere e tipologie strutturali

SLE	danneggiamenti locali (ad es. eccessiva fessurazione del calcestruzzo) che possano ridurre la durabilità della struttura, la sua efficienza o il suo aspetto
	spostamenti e deformazioni che possano limitare l’uso della costruzione, la sua efficienza e il suo aspetto
	spostamenti e deformazioni che possano compromettere l’efficienza e l’aspetto di elementi non strutturali, impianti, macchinari
	vibrazioni che possano compromettere l’uso della costruzione
	danni per fatica che possano compromettere la durabilità
	corrosione e/o degrado dei materiali in funzione del tempo e dell’ambiente di esposizione che possano compromettere la durabilità
	Altri stati limite sono considerati in relazione alle specificità delle singole opere
	in presenza di azioni sismiche Stati Limite di Operatività (SLO) Stati Limite di Danno (SLD)

 

Verifica per condizioni di esercizio (SLE)

La capacità di garantire le prestazioni previste per le condizioni di esercizio (SLE) deve essere verificata con la seguente relazione:

C_d ≥ E_d

C_d (valore limite di progetto associato a ciascun aspetto di funzionalità esaminato)
E_d (valore di progetto dell’effetto delle azioni)

fonte: G.U. 20 febbraio 2018 n. 42 – Supplemento Ordinario – Parte prima