Geopal © - Il palo d’acciaio autoancorante

Engineering

In questi anni si è cercato di diffondere la conoscenza del palo a vite, ma spesso è stata riscontrata una certa titubanza nell’affrontare i calcoli sulla capacità portante di questo palo, che ha la peculiarità di avere la punta a vite, di sezione molto superiore al fusto, capace di penetrare i terreni senza rimuoverne la giacitura.
Abbiamo ritenuto quindi di rendere noti alcuni degli aspetti ingegneristici che maggiormente caratterizzano questo prodotto e che difficilmente si trovano nei libri di testo.
Soddisfatti dei risultati conseguiti studiando in modo approfondito questa tipologia di palo, riportiamo di seguito alcuni passaggi che hanno caratterizzato la nostra ricerca, attribuendo un concreto apporto e valore ingegneristico a questo prodotto.

CAPACITÀ PORTANTE DEL PALO GEOPAL

I pali Geopal sono stati studiati nella loro struttura con estremo dettaglio, sia analiticamente, che attraverso un modello geometrico agli elementi finiti, che ha consentito di conoscerne le reali potenzialità, sotto ogni aspetto ingegneristico.

La capacità portante del palo va valutata come somma di tre contributi:
- capacità portante di punta (Q1)
- capacità portante laterale della spira (Q2)
- capacità portante laterale del fusto (Q3)

Da cui: Qtot = Q1 + Q2 + Q3

A seconda del modello di palo, ai fini computazionali, la struttura può essere schematizzata come segue:

Figura 1: Schema dei contributi di capacità portante

Si dovrà inoltre tenere conto di un opportuno franco superiore in cui, lungo il fusto, la resistenza è trascurabile per il rimaneggiamento del terreno a inizio infissione.

PORTATA DI PUNTA Q1

L’area dell’elicoide sommata a quella del fusto amplia la superficie di punta del palo da 3 a 6 volte.
Il palo Geopal presenta quindi un’area reagente decisamente superiore a quella dei pali tradizionali.
Di seguito indichiamo le relazioni della capacità portante di sola punta, in due diverse condizioni:

Figura 2: Contributo portata di punta

PORTATA LATERALE Q2 + Q3

Il contributo dovuto alla resistenza laterale viene distinto in due componenti. Il primo (Q2) si sviluppa lungo l’inviluppo di una superficie cilindrica tangente all’elicoide (A2 fig. 1). Il secondo (Q3) è offerto dall’adesione che si sviluppa all’interfaccia fusto-terreno (A3 fig. 1). Volendo distinguere tra terreni coesivi e granulari si ottengono le seguenti espressioni per il calcolo della capacità portante laterale:

A2 = πφe • L2(L2 = lunghezza spira)
A3 = πφ • L3(L3 = lunghezza fusto)

Figura 3: Contributo portata laterale

CAPACITÀ RESISTENTE DEL TIRANTE GEOPAL

La capacità resistente del tirante Geopal va calcolata come somma di due contributi:

Qtir = Qp + QL

- Qp è la capacità portante della sezione di spira elicoidale agente come piastra di ancoraggio
- QL è dato dall'attrito laterale che si sviluppa nel tratto di spira elicoidale.
E' trascurato il contributo lungo il fusto in quanto coinvolto nel cinematismo di rottura.

Figura 4: Schema di tirante e linee di forza

Figura 5: Posa in opera di un tirante

ANALISI AGLI ELEMENTI FINITI (FEM)

Il comportamento del palo nel terreno è stato studiato mediante analisi numeriche agli elementi finiti (FEM) al fine di conoscerne le reali potenzialità, sotto ogni aspetto ingegneristico. Inoltre è stato possibile creare dei tabulati sulle diverse capacità portanti in ambienti geotecnicamente diversi.

Analisi FEM della capacità portante del palo

Per terreni di natura coesiva è stato possibile studiare il comportamento non solo del palo originariamente brevettato a due spire, ma anche del palo multi spira, denominato “galleggiante”, totalmente infisso nel terreno. Tale condizione rappresenta uno speciale campo d’impiego dei pali Geopal, particolarmente interessante nei casi in cui ci si trovi di fronte a terreni coesivi di notevole spessore.

Per valutare gli stati di sollecitazione e di deformazione nel palo e nel terreno è stata applicata, alla testa del palo, una forza verticale progressivamente crescente.
In questo modo è stato possibile determinare la curva carico-cedimento. Essa presenta un andamento tipico, in cui il primo tratto è rettilineo, con deformazioni del terreno prevalentemente elastiche.
Successivamente si osserva un rapido incremento dei cedimenti, legato ai meccanismi di plasticizzazione, che si sviluppano fino a giungere al cinematismo di rottura caratterizzato dalla formazione di una superficie di scorrimento, che in prima approssimazione si può considerare cilindrica, esterna alla spirale elicoidale. Lungo tale superficie viene raggiunta la resistenza al taglio del terreno.
Analizzando lo stato di tensione che si instaura nella spirale, si osserva come la sollecitazione sia massima nel primo giro in basso e diminuisca nei giri successivi. Dal punto di vista strutturale deve quindi essere verificata la resistenza del primo giro di spira.

Figura 7: Tipica curva palo-cedimento
per un palo in terreno coesivo

Figura 8: Contour degli spostamenti verticali

Figura 9: Contour della tensione equivalente secondo Von Mises

In terreni granulari si usa il palo caratterizzato da 2 soli giri di spira.
In questi casi la sollecitazione massima interessa, quindi, tutta la spira, ed è possibile che la resistenza ultima del palo venga raggiunta non per rottura del terreno ma per snervamento della spira alla base.

Si è pertanto resa necessaria un’analisi strutturale del palo, ai fini di determinare il carico limite che porta alla plasticizzazione dell’acciaio in corrispondenza della sezione maggiormente sollecitata.

Figura 10: Progressiva diffuzione della zona plastica all'aumentare del carico.

Analisi FEM della resistenza strutturale del palo

Il palo è stato studiato implementando un modello numerico tridimensionale, volto a rappresentare la particolare forma del palo Geopal. Per l’acciaio si è assunto un comportamento plastico incrudente di tipo isotropo, con criterio di snervamento di Von Mises.

Per ogni modello di palo è stata considerata una pressione uniforme agente normalmente alla spira. Tale pressione è stata fatta crescere fino a raggiungere lo snervamento della spira; si è assunto quindi, come carico limite, il valore di pressione per cui si osserva la formazione di un diffuso stato di plasticizzazione lungo la spira.

   

Figura 11: Schema numerico agli elementi finiti

Figura 12: Deformazioni plastiche della spira