Tipi di fondazioni dirette e indirette: la guida definitiva

Si definisce fondazione la struttura resistente, interposta tra il terreno e la sovrastruttura, che ha il compito di trasferire i carichi derivanti dal peso proprio e dalle azioni applicate alla sovrastruttura al terreno, con la finalità di ripartirli opportunamente in modo da evitare la rottura del complesso struttura – terreno e di contenere entro limiti accettabili i cedimenti assoluti e differenziali. Considerando il meccanismo del trasferimento del carico della fondazione al terreno d’appoggio si distinguono i seguenti tipi di fondazioni:

• fondazioni dirette, per le quali il carico è interamente trasmesso al terreno con la pressione sotto il piano di appoggio senza intervento di attrito laterale (o quando questo intervento è trascurabile)
• fondazioni indirette o profonde, per le quali il carico è trasmesso al terreno con la pressione sotto il piano di appoggio e per attrito lungo il fusto.
  
  

Chiariamo la differenza tra fondazioni dirette e indirette

Con riferimento a Terzaghi, indicando con B la larghezza della fondazione e con D la sua profondità, una suddivisione fra i vari tipi di fondazioni può essere basata sul rapporto D/B: fondazioni diretta (fondazione su plinto, trave continua, graticcio, platea) per D/B < 4, fondazioni semi-profonde per 4 ≤ D/B ≤ 10 (pile e cassoni), fondazioni profonde o indirette per D/B > 10 (pali).

Fondazioni dirette

Nell’ambito delle fondazioni dirette si realizzano schemi puntuali, definiti plinti di fondazione, quando si può fare affidamento su terreni (ammassi rocciosi, sabbie e ghiaie molto addensate, argille dure) aventi caratteristiche meccaniche tali da non far temere significativi cedimenti differenziali. Negli altri casi, si adottano schemi continui (travi rovesce, graticci e platee) sia per minimizzare i cedimenti differenziali della sovrastruttura sia per garantire adeguati margini di sicurezza nei confronti del collasso del sistema strutturale, distribuendo i carichi su superfici di contatto maggiori. Se tali obiettivi non possono essere raggiunti utilizzando fondazioni dirette, si ricorre a fondazioni profonde (fondazioni su pali o fondazioni a pozzo).

La scelta delle tipologie di fondazioni da adottare deve pertanto basarsi sulla verifica che si abbia un adeguato coefficiente di sicurezza nei confronti di possibili meccanismi di collasso del complesso fondazione – terreno (verifiche di stato limite ultimo) e che i cedimenti assoluti e differenziali non superino i limiti accettabili per la funzionalità della struttura (verifiche allo stato limite di servizio). In linea generale i cedimenti differenziali che una struttura è in grado di sopportare senza danno sono funzione delle caratteristiche di rigidezza della costruzione quali ad esempio il numero di piani e la tipologia della costruzione: in muratura, in cemento armato, in cemento armato precompresso o in acciaio.

Quando le caratteristiche di resistenza e di deformabilità dei terreni evidenziano problemi di cedimenti differenziali eccessivi nel caso di fondazioni dirette isolate, può essere necessario adottare una orditura di travi di fondazione secondo due direzioni, in genere ortogonali fra di loro, al fine di ampliare sensibilmente la superficie di appoggio. Inoltre, quando il terreno presenta modesti valori di capacità portante si adotta una fondazione a platea.

Fondazioni indirette o profonde - Palo di fondazione

I pali di fondazione sono degli elementi strutturali in grado di trasferire il carico, applicato alla loro sommità, agli strati di terreno più profondi e in generale più resistenti. I motivi per cui si ricorre al loro impiego possono essere molteplici:

• impossibilità di realizzare fondazioni superficiali a causa delle scadenti caratteristiche meccaniche del terreno
• necessità di limitare i cedimenti
• necessità di riportare i carichi a profondità che non siano interessate da fenomeni di erosione, come avviene nel caso di fondazioni nell’alveo di un fiume
• necessità di assorbire carichi orizzontali
• realizzazione di opere al largo delle coste
• rinforzo di strutture esistenti mediante sottofondazioni.

I pali possono essere classificati in base a diversi criteri. I più significativi sono quelli basati sul modo di trasferire il carico al terreno, sul tipo di materiale costituente il palo e sulle modalità esecutive. Quando lo scopo è quello di analizzare il comportamento di un palo in presenza di un dato sistema di sollecitazioni, le modalità esecutive sono di primaria importanza. In base ad esse i pali vengono distinti in pali eseguiti senza asportazione di terreno (pali infissi) e pali eseguiti con asportazione di terreno (pali trivellati), a causa delle modifiche che tali tecniche possono comportare sia per quanto riguarda lo stato tensionale sia per le caratteristiche meccaniche del terreno.

L’installazione, ad esempio, di un palo infisso in un terreno non coesivo comporta un addensamento del terreno adiacente al palo, con un incremento dello stato tensionale e delle caratteristiche meccaniche. Al contrario, l’installazione di un palo trivellato richiede la rimozione di un uguale volume di terreno e questa operazione, anche se effettuata con le più appropriate tecnologie, comporta una riduzione dello stato tensionale iniziale, ripristinato solo in parte durante la fase di getto del calcestruzzo. Nel caso di pali trivellati in argille sovraconsolidate si ha un rammollimento dell’argilla lungo le pareti del foro, con conseguente riduzione della resistenza a taglio, per effetto sia dello scarico tensionale sia, anche, dell’assorbimento di acqua dal calcestruzzo. Nel caso di pali infissi in argille tenere si una pronunciata riduzione delle tensioni orizzontali efficaci durante al fase di infissione, mentre durante la consolidazione successiva si ha un ripristino, a volte un miglioramento, delle condizioni iniziali.

Conseguentemente i metodi per il dimensionamento dei pali devono tenere conto delle modifiche dello stato tensionale iniziale e delle caratteristiche meccaniche dei terreni di fondazione causate dall’installazione dei pali.

Il progetto concettuale di una fondazione su pali inizia con il riconoscimento delle ragioni dell’adozione di questo tipo di fondazione profonda. Esse possono essere ovvie (per esempio le fondazioni di pile di un ponte in alveo mobile) oppure possono scaturire dal confronto con altre alternative possibili (per esempio fondazioni dirette su terreno consolidato). Nel caso dei grattacieli o di edifici di elevata altezza, l’adozione di fondazioni profonde su pali scaturisce dall’entità dei carichi trasmessi dalla struttura in elevazione e dalla conseguente necessità di avere cedimenti ridotti rispetto alle elevate forze applicate in fondazione dall’opera.

Scelta la fondazione su pali, il secondo passo è quello della scelta del tipo di palo in funzione della natura del terreno e della distribuzione dei carichi propri della struttura da fondare. In questa scelta si applica generalmente il criterio di far lavorare il materiale costituente il palo a sollecitazioni prossime ai valori massimi ammissibili.

Giunti così a definire il numero e la sezione dei pali, si impiegano diversi criteri geotecnici per definirne la lunghezza in modo da assicurare la voluta capacità portante assiale.
Il dimensionamento dei pali allo stato limite ultimo e di esercizio è regolato dal paragrafo 6.4.3 delle NTC 2008.
Si procede infine alla verifica dei pali nei confronti degli sforzi trasversali, che in qualche caso (muri di sostegno, banchine portuali, etc.) possono avere aspetto preponderante. In funzione della importanza relativa degli sforzi trasversali rispetto a quelli assiali si sceglie lo schema per la verifica del palo nei confronti dei primi. Un metodo molto applicato nei casi più semplici è quello di ricorrere ai coefficienti tabulati da Matlock e Reese per alcune leggi tipiche di variazione del modulo di reazione orizzontale (schema di Winkler) con la profondità. Nei casi più impegnativi si ricorre alla discretizzazione del palo in tronchi elementari applicando ad ogni tronco una appropriata legge p – y di variazione della reazione p (FL¹) con lo spostamento trasversale y (L), legge in generale non puramente lineare. L’effetto dei pali in gruppo viene considerato sia per la verifica della capacità portante che per la previsione dei cedimenti. Si ricorre in genere a schemi elementari e fortemente semplificativi, quali la verifica sulla superficie laterale inviluppo o la valutazione dei cedimenti della fondazione diretta (profonda) equivalente. In casi più impegnativi si adottano schemi più complessi, che simulano l’interazione palo – terreno – palo (Poulos). In questi casi occorre particolare oculatezza nella scelta dei parametri geotecnici che esprimono l’interazione, in modo da mitigare la sovrastima dei suoi effetti generalmente conseguente all’impostazione “elastica” degli schemi praticabili con il calcolo.

Fondazioni compensate

Le fondazioni compensate sono le fondazioni di un’opera il cui peso, fondazione inclusa, è approssimativamente uguale al peso complessivo del terreno scavato. Quando il peso del terreno scavato è minore del peso dell’opera la fondazione è parzialmente compensata. Vengono impiegate soprattutto nei terreni di mediocre resistenza e alta compressibilità; come noto, i terreni che hanno queste caratteristiche sono in generale quelli in cui è presente un’alta percentuale di limo ed argilla, con livello della falda prossimo al piano campagna. Le fondazioni compensate vengono adottate per conseguire i seguenti obiettivi:

• conferire all’opera maggiore stabilità, aumentandone il coefficiente di sicurezza nei confronti della capacità portante
• limitare i cedimenti totali e differenziali entro valori stabiliti come accettabili.

In generale le fondazioni compensate sono scelte per esclusione, quando altri tipi di fondazioni superficiali non possono essere impiegate, tenendo conto delle scadenti caratteristiche meccaniche del terreno, e quelle profonde non possono essere impiegate a causa dell’assenza di uno strato portante a profondità ragionevole. Il principio su cui si basano le fondazioni compensate era già noto nelle seconda parte del 1800. Nel 1870 per esempio Hagen illustrava il beneficio che si otteneva compensando parte del peso del fabbricato con il peso del terreno scavato, spiegando che la presenza di cantine sotto i fabbricati (purché beninteso non piene di acqua o di terra) riduce la pressione netta di appoggio e quindi i cedimenti. Il motivo per cui le fondazioni compensate comportano una riduzione sostanziale dei cedimenti è che, grazie alla riduzione di carico ottenuta con l’asportazione del terreno, quando il peso del fabbricato viene applicato il terreno viene ricompresso secondo la curva di ricompressione anziché secondo la curva di compressione vergine.

Fondazioni a pozzo

Sono un particolare tipo di fondazione profonda normalmente adottata nelle fondazioni dei piloni delle linee elettriche, nelle pile dei viadotti, nelle opere di sostegno e stabilizzazione dei pendii, e in altre applicazioni speciali. Le fondazioni a pozzo sono caratterizzate fondamentalmente da una elevata rigidezza relativa, per cui la stessa struttura può essere considerata infinitamente rigida. Come conseguenza dell’elevata rigidezza, nel caso dell’applicazione di forze esterne, sono ragionevoli le seguenti ipotesi:

• l’inflessione della fondazione è trascurabile
• il prisma di fondazione immerso nel terreno e sottoposto ad azioni flettenti, taglianti ed assiali si limita a ruotare rigidamente attorno ad un punto posto sotto la superficie del terreno
• il collasso del sistema pozzo – terreno avviene per il superamento delle resistenza limite del terreno.

Il problema del dimensionamento di fondazioni a pozzo, per la sua complessità, richiede l'introduzione di ipotesi semplificative che nella letteratura appaiono rilevanti e riguardano principalmente la configurazione parziale dello spostamento del prisma, la conoscenza di alcune delle componenti dello stato tensionale indotto sul suolo, l’ipotesi di terreno omogeneo o al più con caratteristiche variabili linearmente con la profondità, legami tensioni spostamenti lineari, il terreno sul fondo reagente a trazione e a compressione.

I pali come riduttori dei cedimenti

Il progetto delle fondazioni su pali viene usualmente condotto assumendo che tutto il carico venga trasmesso al terreno tramite i pali, e dimensionando questi ultimi con metodi di calcolo a rottura. Per queste ipotesi cautelative, il cedimento risulta quasi sempre molto ridotto. A partire dalla metà degli anni 1990 è stata introdotta nell’ambiente geotecnico italiano la concezione di pali come riduttori di cedimento, che lavorano in parallelo con la fondazione diretta della stessa struttura. Tale concezione, che si applica ai pali “sospesi” in seno allo strato cedevole, prevede che in condizioni di esercizio al palo si applichino i valori limite della reazione del terreno e considera la capacità portante così sviluppata come una forza esterna (riduttrice dei carichi) applicata alla fondazione diretta.

Conclusioni

La corretta scelta dei tipi di fondazioni, sia per le piccole sia per le grandi opere, riveste una fondamentale importanza sia sui costi sia sui tempi di realizzazione di un’opera civile. Per la soluzione di tale problema, come peraltro di qualsiasi altro problema geotecnico, è di fondamentale importanza che l’iter progettuale comprenda un adeguato studio geologico e indagine geotecnica e una corretta caratterizzazione geotecnica dei terreni di fondazione. Tali aspetti sono discussi in dettaglio nel libro "Fondazioni, caratterizzazione geotecnica, verifiche geotecniche, dimensionamento" che ho pubblicato con Dario Flaccovio Editore. Con riferimento a tale pubblicazione, nel capitolo 2 è esposta l’importanza dello studio geologico per la progettazione delle fondazioni; nel capitolo 3 sono esposti i criteri per la definizione delle proprietà geotecniche dei terreni e delle rocce finalizzati alla progettazione delle fondazioni, nei capitoli 4 e 5 vengono esposti i criteri per le verifiche agli stati limite ultimi e di servizio delle fondazioni secondo le indicazioni dell’Eurocodice 7 e delle NTC 2008. Nei successivi capitoli, dal capitolo 6 al capitolo 9, vengono analizzati i criteri progettuali delle diverse tipologie di fondazione. Infine, viene analizzata la progettazione delle fondazioni di macchine, le fondazioni in zone sismiche, le fondazioni su terreni migliorati e rinforzati, le fondazioni su roccia e la progettazione e costruzione delle dighe in terra.