1 LâinterdisciplinarietĂ
1.1 Geotecnica
1.1.1 Principi di modellazione
Lâinterazione fra le strutture artificiali ed il terreno naturale è analizzata sia in campo statico che sismico ricorrendo alle teorie classiche della Scienza delle Costruzioni e dellâIdraulica, calandole âdi pesoâ nei campi della Geologia, da cui i nomi: Meccanica dei terreni, Meccanica delle rocce ed in generale Geotecnica, (GĂŠotechnique 1948, in italiano 1956) passando alla progettazione ed alla valutazione della sicurezza.
Si analizza in termini meccanici non solo la struttura (cap. 2), ma specialmente il volume significativo di terreno o di roccia (cap. 3) il cui stato tensionale naturale è coinvolto dalle tensioni indotte dallâopera artificiale che si vuole far interagire con la natura (cap. 4), evitando nel miglior modo possibile che le caratteristiche dei materiali (cap. 5) subiscano azioni (cap. 6) ed âimpatti ambientaliâ, cercando anzitutto la âsicurezza naturaleâ fondata sullâassecondamento idrogeomorfologico, a fianco di quello meccanico (cap. 7).
Lâimportanza dellâinterdisciplinarietĂ fra Architetti, Ingegneri e Geologi, perseguita sin dalla prima ideazione e finanziamento di unâopera, materializza proprio tale sicurezza e lâadattamento preventivo al sito, che riduce fortemente i rischi e gli sperperi.
Di seguito si passano in breve rassegna gli ampi settori di applicazione della Geotecnica, per la quale si evidenzia subito lâimportanza di agganciarsi alla âsicurezza meccanicaâ dei modelli âperfettiâ (cap. 2, 3 e 4) tramite congrui studi, rilievi ed indagini ârealiâ (cap. 5) a partire da quelli a tavolino e di laboratorio, per passare a quelli in sito, fino al monitoraggio in vera grandezza a seconda della complessitĂ geologica.
LâIngegnere però non può valutare la sicurezza limitandosi a chiedere quali sono i parametri meccanici da inserire nei modelli di calcolo per sopportare i carichi allo spiccato del terreno, precisione senza inclusione fig. 7.3, cosĂŹ lâArchitetto non può limitarsi a valutare la sola âsicurezza artisticaâ dellâopera, specie nei campi del Restauro, dellâArcheologia o del Paesaggio; parallelamente il Geologo non può limitarsi ad essere solo un laboratorista gestore distaccato delle indagini e di prove generiche.
Solo il dialogo consente di cogliere nel progetto la ricchezza di ognuno, altrimenti si snatura tutto, a cominciare proprio dalla Geotecnica, affascinante Arte mediatrice fra la mentalitĂ naturalistica del Geologo, razionale dellâIngegnere ed artistica dellâArchitetto.
La Geotecnica non può altrettanto dimenticare i collegamenti con le varie origini etiche (fig. 1.30) e scientifiche, le uniche che possono arricchire modelli reologici piÚ generali, come quelli tipo cam-clay studiati a Cambridge (fig. 3.38).
Ă fondamentale che, nei Laboratori Universitari delle varie FacoltĂ di pertinenza, si contemperi fortemente lâinterdisciplinarietĂ , in modo che ciascuno acquisisca pariteticamente anche i linguaggi di base dellâaltro, per promuovere la âsicurezza naturale, meccanica ed artisticaâ e favorire il lavoro di gruppo, veramente creativo se svolto con giusti tempi e mezzi di progettazione.
Si è voluto definire, in tale ottica, la Geotecnica come una sorta di âquartoâ linguaggio fra i 3 predetti, proprio per evidenziare che non appartiene, nĂŠ accademicamente nĂŠ professionalmente, in modo esclusivo alle 3 FacoltĂ consorelle, pur essendo di taglio teorico principalmente ingegneristico.
La Geotecnica moderna è nata nel 1925 con gli studi dellâIngegnere elettrotecnico cecoslovacco Carlo Terzaghi sul comportamento meccanico dei terreni su cui doveva fondare una turbina, studi descritti nel suo famoso testo âErdbaumechanikâ Deuticke-Vienna, riedito con una visione generale tuttâoggi attuale nel 1943 in âTheoretical Soil Mechanicsâ, Wiley-New York, basato sul Principio delle tensioni efficaci, chiamate anche effettive.
La figura 1.1a mostra un insieme di granuli che caratterizzano lo scheletro solido del mezzo poroso terreno su cui agiscono le classiche componenti di sollecitazione a sforzo normale e taglio, applicate anche alla fase interstiziale nei pori che possono essere saturi (Sr = 1) o meno di acqua, a seconda dei pesi P e dei volumi V delle 3 fasi: solida, liquida e gassosa.
I granuli presentano un vasto assortimento granulometrico che spazia dalle ghiaie, sabbie, limi ed argille, passando da forme rotondeggianti centimetriche, e millimetriche dei terreni incoerenti, alle forme lamellari micrometriche tipiche dei terreni coerenti e proprie delle argille, come di seguito evidenziato nella figura 1.10 con lâanalisi granulometrica, che simula la sedimentazione.
Nelle argille in particolare lâacqua si lega anche chimicamente tramite gli ossidrili ai minerali argillosi (acqua adsorbita) offrendo un particolare modo di resistere alle predette sollecitazioni per coesione, che risulta elevata per volume dei pori molto ristretto, fino a valori bassissimi per volumi dei vuoti elevatissimi come nel caso delle argille sensitive, ed in cui il legame chimico attivo A' e reattivo R' ha un ruolo molto spiccato (fig. 1.1).
In tale ottica viene distinto subito nella figura 1.1a il caso incoerente da quello coerente della figura 1.1b in cui il principio delle tensioni efficaci ed i fenomeni deformativi e resistivi che ne conseguono risentono molto delle azioni chimiche dei minerali argillosi, oltre che della presenza delle 3 fasi.
Il comportamento meccanico di tali terreni viene anzitutto interpretato con il classico modello di Terzaghi usato per spiegare la ripartizione delle tensioni totali Ď indotte, in un terreno poroso saturo di acqua, in tensione efficace Ď' od effettiva applicata allo scheletro solido ed in pressione interstiziale u applicata allâacqua (udos in greco), ovvero il Principio delle tensioni efficaci:
In assenza di acqua (fig. 1.1a) le forze F in gioco ovvero le tensioni totali coincidono con le efficaci e pertanto agiscono sullo scheletro solido in modo in tutto simile ai mezzi solidi tipici elasto-plastici delle strutture e dei canoni della Scienza delle Costruzioni (cap. 2) dei mezzi non porosi.
In presenza di sola acqua (fig. 1.1b) le tensioni totali coincidono con le pressioni interstiziali come in un martinetto idraulico, secondo i canoni dellâIdraulica (par. 4.3).
In presenza di ambedue le fasi, limitandosi al caso di mezzo poroso saturo, vale in pieno la ripartizione delle forze in gioco T, N, U secondo il principio delle tensioni efficaci, ovvero secondo i canoni della Geotecnica, specie poi per il successivo drenaggio, filtrazione e consolidazione nel tempo (cap. 3).
Figura 1.1 Principio delle tensioni efficaci: a) scheletro solido di un terreno incoerente asciutto; b) idem coerente saturo con attivitĂ chimica e ripartizione in fase gassosa, liquida e solida; c) modello edometrico di Terzaghi sulla ripartizione delle tensioni in efficaci; d) ruolo delle condizioni di drenaggio, della saturazione, della viscositĂ e dellâattivitĂ chimica, per valutare le caratteristiche meccaniche dei terreni durante la consolidazione.
Il modello fu posto alla base dellâideazione appunto dellâedometro, apparecchio per la misura sperimentale della compressibilitĂ dei terreni e dellâapparecchio di taglio per la misura della resistenza dei terreni, evidenziando le notevoli differenze di comportamento meccanico fra le prove ânon drenateâ e quelle âdrenateâ (cap. 5).
Lâevoluzione nel tempo della pressione interstiziale indotta Îu o fenomeno di consolidazione è evidenziata tramite le curve isocrone nella figura 1.1c (fig. 3.25), ed in funzione dellâattivitĂ chimica e della saturazione nella figura 1.1d.
La consolidazione parte dalle condizioni perfettamente ânon drenateâ fino a quelle âdrenateâ, con decorsi dei cedimenti molto diversi dal caso di âmezzo porosoâ saturo inerte, o di interstizi non saturi o se lo scheletro solido è molto attivo chimicamente con deformazioni viscose (v. creep in fig. 2.15b).
Il ruolo delle azioni chimiche A' attrattive (fig. 1.1b) è molto importante sulle tensioni efficaci ed incide piĂš o meno sensibilmente sulla coesione (par. 3.2.3) e la viscositĂ dissipativa (par. 2.2.3) dei terreni, per cui è importante non distruggerle durante le operazioni di campionamento: la meccanica deve âcollaborareâ con la chimica (par. 1.2.4).
Lo stato tensionale indotto mentre per un materiale solido assume la classica definizione vettoriale, per il mezzo poroso con interstizi colmati di fluido, ovvero in generale di acqua ed aria, si suddivide fra le fasi, migrando solo nella fase dello scheletro solido in termini vettoriali e naturalmente perdendo per la fase fluida lâorientamento vettoriale, riducendosi a pressione interstiziale scalare pascaliana (lâacqua adsorbita fa da transizione anche reologica).
Per tale ragione un urto subito dalla testa si ripartisce in tensione vettoriale nelle ossa del cranio e fortunatamente in pressione scalare uniforme nel liquido di sospensione cefalorachidiano, salvando spesso cosĂŹ il cervello e il midollo spinale.
La famosa esperienza della botte di Pascal fatta scoppiare solo per innalzamento h, con poca acqua, del livello del liquido in un tubo innestato sul tappo della botte, descrive proprio la pressione idrostatica o piezometrica (piezein significa premere, nome dellâantica unitĂ di misura della compressibilitĂ di un liquido, poi bar), attualmente misurata in onore di Newton e di Pascal in Pa = N/m2, per cui:
con: 1 atm = 1 kg/cm2 = 10 t/m2 = 100 kN/m2 = 100 kPa = 0, 1 MN/ m2 = 0, 1 MPa.
Tale pressione corrisponde alla pascaliana altezza dâacqua h = 10 m essendo Îłw = 1 t/m3 = 10 kN/m3 il peso specifico del fluido coincidente, in assenza di aria, proprio con quello dellâacqua: si è passati dalla simbologia u greca (udos) a quella w (water) inglese, quasi a sottolineare il passaggio da una geotecnica umanistica ad una pragmatica.
Si è inoltre approssimata lâaccelerazione di gravitĂ g = 9,81 a 10,0 m/s2, per cui 1...