Nell'ingegneria geotecnica, il terreno rappresenta una sfida complessa a causa del suo comportamento non lineare e dipendente dal percorso. Quando si applica l'analisi agli elementi finiti (FEA) per modellare l'interazione terreno-struttura, l'integrazione delle fasi costruttive nell'analisi è essenziale per ottenere simulazioni accurate, previsioni realistiche e progetti più sicuri. Trascurare questo aspetto critico può comportare distribuzioni delle tensioni non realistiche, previsioni dei cedimenti meno accurate e stabilità strutturale compromessa. Questo articolo esplora le ragioni principali per l'adozione di questo approccio e ne evidenzia il significato nell'analisi geotecnica.
- Non-linearità e storia delle tensioni nel comportamento del terreno
Il terreno non si comporta linearmente sotto carico; la sua risposta dipende dalla storia delle tensioni applicate. La relazione tensione-deformazione si evolve man mano che i carichi vengono introdotti in modo incrementale durante la costruzione. L'acquisizione di questa progressione è essenziale per una distribuzione realistica delle tensioni poiché le fasi costruttive alterano la distribuzione delle tensioni in modo incrementale, influenzando il cedimento e la resistenza.
- Applicazione sequenziale del carico
Nella costruzione, i carichi vengono applicati in modo incrementale quando vengono aggiunti strati o strutture. La FEA che incorpora le fasi costruttive e simula applicazioni di carico realistiche consente una previsione accurata dei cedimenti. In questo modo, si evita la sovrastima o la sottostima della risposta del terreno, che può influenzare la stabilità strutturale.
- Interazione con strutture esistenti
Per i progetti che coinvolgono strutture adiacenti o esistenti, l'impatto della costruzione a fasi su edifici o infrastrutture vicine può essere significativo. L'analisi per fasi aiuta a valutare rischi come cedimenti differenziali o danni strutturali.
- Sfide specifiche per la costruzione
L'analisi per fasi aiuta ad affrontare le condizioni temporanee durante la costruzione, come disidratazione, cedimenti eccessivi, ecc. Simulando ogni fase, gli ingegneri possono identificare in anticipo i potenziali meccanismi di rottura e le misure di mitigazione della progettazione per mantenere la stabilità durante la costruzione.
- Conformità alle norme di progetto
Le moderne norme di progettazione geotecnica, come l'Eurocodice 7, sottolineano l'importanza di considerare le fasi costruttive nelle analisi. Queste norme richiedono agli ingegneri di valutare la stabilità intermedia durante la costruzione e le prestazioni a lungo termine del sistema terreno-struttura dopo la costruzione, richiedendo un approccio graduale al processo di progettazione.
Analisi geotecnica con le fasi costruttive in RFEM 6
Avendo stabilito l'importanza di incorporare le fasi costruttive nell'analisi geotecnica, esaminiamo ora come applicare questo approccio utilizzando il modello descritto di seguito. Il modello presenta un edificio in cemento armato situato su un blocco di terreno, modellato in RFEM 6. La struttura comprende una soletta in cemento armato per ogni piano, una soletta di fondazione, colonne e pareti verticali. I carichi applicati includono il peso proprio del terreno, il peso proprio della struttura, i carichi permanenti e i carichi variabili.
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Per chi non conosce il flusso di lavoro per la definizione delle fasi costruttive in RFEM 6, si consiglia di consultare gli articoli della Knowledge Base elencati di seguito. È importante notare che le fasi costruttive nel software sono definite in base a due fattori principali: gli elementi strutturali attivi durante una determinata fase e i carichi applicati in quella fase. Per garantire chiarezza e concisione, il processo sarà dimostrato per la prima fase costruttiva, accompagnato da una tabella che illustra come lo stesso flusso di lavoro può essere esteso per definire le fasi successive.
- KB 1737 | Definizione delle fasi costruttive in termini di modellazione
- KB 1724 | Considerazione delle fasi costruttive in RFEM 6
Nella fase costruttiva iniziale, l'attenzione è rivolta esclusivamente al terreno. Per configurare questa fase, accedi alla finestra "Fasi costruttive" e seleziona le schede "Solidi" e "Superfici", come mostrato nell'immagine 1. Questo passaggio garantisce l'inclusione del solido del terreno e delle superfici con condizioni al contorno predefinite. Navigare attraverso le schede associate per regolare lo stato dei solidi e delle superfici. Per i solidi, selezionare "Tutti", poiché in questa fase non sono presenti altri solidi nel modello. Allo stesso modo, nella scheda "Superfici", includi le superfici con condizioni al contorno predefinite, in particolare le superfici numerate 31–47 e 54–57, come mostrato nell'immagine 2. Per semplificare questo processo, è possibile utilizzare selezioni di oggetti predefinite, che consentono di aggiungere tutti gli elementi rilevanti contemporaneamente. Questo approccio non solo consente di risparmiare tempo, ma migliora anche la precisione nell'impostazione della fase costruttiva.
Una volta definite le modifiche strutturali per la fase costruttiva, il passaggio successivo è specificare i casi di carico attivi durante questa fase. Questo può essere fatto nella scheda "Fasi costruttive" della finestra "Casi e combinazioni di carico", come mostrato nell'immagine 3. Per la fase iniziale, viene considerato solo il peso proprio del terreno e il caso di carico corrispondente viene assegnato di conseguenza.
In questo passaggio, è possibile introdurre opzioni aggiuntive, come la modifica della struttura, come richiesto per la fase iniziale in esame (vedere la Figura 4). Questo è essenziale perché, nelle analisi che utilizzano il materiale del terreno indurente, il materiale deve essere linearizzato nella prima fase. Per ottenere ciò, apri la finestra pertinente e disattiva la non linearità del materiale, come mostrato nell'immagine 5.
Successivamente, è possibile modificare le impostazioni dell'analisi statica per le singole fasi aprendo la finestra "Impostazioni dell'analisi statica" utilizzando la scheda Principale mostrata nell'immagine 4. Sebbene non siano necessarie modifiche per la fase iniziale in cui la non linearità del materiale è disattivata, diventa importante per le fasi successive, come CS2, dove è possibile abilitare l'opzione "Equilibrio per struttura non deformata" (vedere la Figura 6). Ciò garantisce che le deformazioni rimangano zero, consentendo di mantenere le tensioni dal peso proprio del terreno. Questo passaggio è fondamentale per stabilire lo stato tensionale corretto, assicurando che il modello del materiale fornisca la rigidezza appropriata.
Quando si osservano le impostazioni nell'immagine 6, è possibile vedere che le impostazioni dell'analisi statica per la fase iniziale sono configurate con un singolo incremento di carico. Tuttavia, poiché i carichi saranno applicati in fasi successive, sono necessarie ulteriori considerazioni, come la regolazione del numero di incrementi di carico per riflettere le condizioni di carico in evoluzione. Per risolvere questo problema, è possibile creare una nuova impostazione dell'analisi statica con un numero maggiore di incrementi di carico e assegnarla alle fasi successive. Il numero specifico di incrementi di carico per ogni fase in questo modello è dettagliato nella tabella fornita di seguito, garantendo un allineamento preciso con la sequenza di costruzione.
| Fase costruttiva: | Segue: | Oggetti aggiunti | Caso di carico attivo | Modifica della struttura: | Numero di incrementi di carico: | Considerazioni aggiuntive: |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CS1 | / | Solido del terreno, superfici con condizioni al contorno | CC4 | Modelli di non linearità del materiale disattivati | 1 | / |
| CS2 | CS1 | / | CC4 | / | 1 | Equilibrio per struttura non deformata (u=0) |
| CS3 | CS2 | Elementi di fondazione | CC1, CC4 | / | 2 | / |
| CS4 | CS3 | Piano terra: Pareti e colonne | CC1, CC4 | / | 2 | / |
| CS5 | CS4 | Piano terra: Solaio | CC1, CC4 | / | 2 | / |
| CS6 | CS5 | 1° Piano: Pareti e colonne | CC1, CC4 | / | 6 | / |
| CS7 | CS6 | Soffitto del tetto | CC1, CC4 | / | 6 | / |
| CS8 | CS7 | Carico permanente | CC1, CC2, CC4 | / | 10 | / |
| CS9 | CS8 | carico variabile | CC1, CC2, CC3, CC4 | / | 10 | / |
| align=center@width=20%@bgcolor=lightgray | align=center | align=center |
|---|---|
| Caso di carico | Carico applicato |
| CC1 | Peso proprio della struttura |
| CC2 | Carico permanente |
| CC3 | carico variabile |
| CC4 | Peso proprio del terreno |
Come evidenziato nell'introduzione, è fondamentale definire le fasi costruttive successive in un modo che rifletta accuratamente il processo di costruzione e il carico catturando realisticamente il comportamento del terreno. Seguendo il flusso di lavoro descritto per la fase costruttiva iniziale (CS1 Start) e applicando le note fornite per le altre fasi, le tabelle 1 e 2 possono servire come guida per la definizione delle fasi successive. Si noti che tutte le fasi costruttive sono analizzate utilizzando un approccio geometricamente lineare, con il metodo di Newton-Raphson utilizzato per l'analisi non lineare. Gli aggiustamenti ad altre impostazioni dell'analisi, come il numero di incrementi di carico, sono dettagliati nella tabella seguente.
Una volta definite le fasi costruttive, il passaggio successivo è modificare le impostazioni per generare le combinazioni di carico prima di avviare i calcoli. Questo può essere fatto nella creazione guidata di combinazioni per la situazione di progetto pertinente. Qui, è possibile configurare le impostazioni dell'analisi e abilitare l'opzione di considerare uno stato iniziale, consentendo l'assegnazione delle fasi costruttive definite, come mostrato nell'immagine 7. Questo metodo garantisce che le combinazioni di carico siano generate per ogni fase incorporando lo stato iniziale della fase precedente, fornendo una transizione senza interruzioni e accurata tra le fasi di costruzione.
Ora hai tutte le informazioni necessarie per avviare il calcolo e analizzare i risultati. Ad esempio, è possibile visualizzare gli spostamenti in ogni fase costruttiva, nonché gli spostamenti finali corrispondenti alla fase CS9 completata, dove la struttura è completamente costruita e vengono applicati tutti i carichi. Inoltre, è possibile scegliere di visualizzare i risultati come differenze all'interno di un incremento di carico in una fase o rispetto alla fase precedente (Figura 8). Ciò consente di osservare le deformazioni causate dalla costruzione di elementi strutturali specifici o dall'applicazione di carichi. Nell'immagine 8, ad esempio, si possono vedere i cedimenti causati dalla costruzione degli elementi di fondazione.
Conclusione
L'integrazione delle fasi costruttive nell'analisi geotecnica agli elementi finiti è essenziale per garantire la sicurezza, la stabilità e la durabilità delle strutture. Simulando la progressione passo dopo passo della costruzione, gli ingegneri possono valutare con precisione il comportamento del terreno, ottimizzare i progetti e affrontare in modo proattivo i potenziali rischi. Man mano che i progetti crescono in termini di dimensioni e complessità, l'analisi per fasi diventa sempre più indispensabile. Con le sue caratteristiche avanzate e gli strumenti intuitivi, RFEM 6 offre agli ingegneri una potente piattaforma per eseguire analisi dettagliate delle fasi, migliorando sia l'efficienza che l'affidabilità nell'ingegneria geotecnica.
