Recenti sviluppi nella progettazione in presenza di carichi ciclici
Il presente contributo esamina alcune evidenze relative al comportamento dei terreni sottoposti a condizioni di carico ciclico complesse e analizza le modalità con cui tale comportamento può essere portato in conto nell’analisi e nella progettazione geotecnica. Sebbene il termine “carico ciclico” venga comunemente impiegato per descrivere sinteticamente diverse tipologie di sollecitazioni, nella realtà i carichi non sono applicati in cicli di ampiezza costante ma in sequenze pseudo-casuali, con ampiezza e frequenza fortemente variabili. L’obiettivo dello studio consiste nel comprendere come tali sollecitazioni influenzino la risposta meccanica del terreno, e come possano essere formalizzate teoricamente. Lo studio trae motivazione dalla progettazione delle fondazioni per parchi eolici offshore nel Regno Unito, ma le applicazioni sono di portata più ampia, estendendosi, ad esempio, all’analisi in condizioni sismiche. In condizioni di carico ciclico, i terreni possono manifestare variazioni di rigidezza, resistenza e smorzamento. Tali effetti possono dipendere dalla velocità di applicazione e dalla storia dei carichi, come pure dalla loro ampiezza. In presenza di carichi non simmetrici, possono inoltre manifestarsi fenomeni di accumulo plastico progressivo, noti come ratcheting. La risposta monotona post-ciclica può risultare alterata rispetto a quella iniziale. Il lavoro discute evidenze sperimentali e approcci di modellazione volti a rappresentare tali fenomeni, con particolare attenzione a metodologie applicabili in ambito progettuale. In particolare, vengono analizzati casi di studio relativi alla progettazione di grandi strutture di fondazione monopalo, le più diffuse per le turbine eoliche offshore. Tali strutture sono soggette, nell’arco della loro vita utile, a milioni di cicli di carico laterale e momenti ribaltanti indotti dal vento e dal moto ondoso. La progettazione deve quindi considerare sia la capacità ultima sotto carichi estremi, sia il decadimento progressivo della resistenza e/o rigidezza del terreno. La moderna progettazione fa largo uso dell’analisi agli elementi finiti (FEA), che richiede modelli costitutivi affidabili per i tipi di terreno interessati. Il contributo presenta pertanto esempi di sviluppo di modelli costitutivi adatti a descrivere il comportamento dei terreni sottoposti a un elevato numero di cicli di carico.
This paper is about some of the evidence for the behaviour of soils under complex, cyclic loading conditions, and the ways that this behaviour can be modelled so that it can be incorporated into analysis and design. Although “cyclic loading” is used as a convenient shorthand for describing many types of problem, in reality the loads often consist not just of many similar cycles, but of pseudo-random loading of widely varying amplitudes and frequencies. Our task is to understand how these loadings affect soil behaviour, and how they can be described theoretically. The motivation for this work comes from the design of foundations for offshore wind farms around the UK, but the applications are much wider, including for instance earthquake loading. During “cyclic loading” soils can undergo changes of stiffness, strength and “damping”. These effects can depend on loading rate and past history, as well as load amplitude. When the loading is biased in one direction, “ratcheting” displacements may accumulate. After cycling, the monotonic response may differ from the pre-cycling response. Evidence for these different aspects of behaviour is discussed, and methods for modelling them outlined, with an emphasis on practical methods for design. Specific examples are drawn from the problem of design of the very large “monopiles” that are the most commonly used foundation type for offshore wind turbines. During their lifetime, the piles are subjected to many millions of pseudo-random cycles of lateral loading and overturning moments from wind and waves. Their design must account for the effects of these, both in terms of extreme load capacity, and of long-term changes of stiffness and/or strength. Modern design makes extensive use of Finite Element Analysis (FEA), which requires reliable constitutive models for the relevant soils, and examples of developments of models appropriate for very large numbers of cycles are discussed.
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