I cedimenti delle fondazioni di edifici: cause, soluzioni ed effetti sulle strutture

La costruzione di strutture (case, grattacieli, etc.) o infrastrutture (ponti, rilevati stradali, etc.) prevede la realizzazione di solide fondazioni che, interagendo con il terreno circostante, hanno il compito di trasferire i carichi al suolo. Nell'immaginario comune siamo portati a pensare che queste strutture siano fisse a terra sempre e per sempre, ma in verità queste si muovono per effetto di spostamenti del piano di posa delle fondazioni. Questi movimenti prendono il nome di cedimenti.

In questo articolo analizzeremo il fenomeno meccanico del cedimento generato dalle azioni esterne agenti (i carichi applicati) e le strategie che possiamo mettere in campo per ridurlo. Importante sottolineare che questa non è l'unica causa della nascita di cedimenti, anche se certamente quella inevitabile. Ad esempio, anche la variazione del livello di falda acquifera all'interno del terreno causa cedimenti (in ingegneria geotecnica si parla di subsidenza), così come gli scavi per la realizzazione di una galleria.

La struttura dei terreni

I terreni, dal punto di vista meccanico, sono estremamente eterogenei. È sempre possibile identificare una stratificazione più o meno variegata del sottosuolo, data dalle diverse conformazioni geologiche che danno origine allo sviluppo planimetrico del sito.

non perderti questo articolo

Come sono fatte le fondazioni di un edificio e quali tipologie esistono

Nonostante il suolo a vederlo così possa sembrare molto omogeneo, possiamo in realtà osservare al suo interno tre diversi elementi:

• Particelle solide – costituite da frammenti di terra, roccia e porzioni organiche;
• Aria – che si intercala tra le particelle formando i cosiddetti "vuoti";
• Acqua – che riempie totalmente o parzialmente gli spazi vuoti. La presenza di acqua è associata alle falde acquifere nel sottosuolo, la cui posizione può variare anche da punto a punto.

Una semplificazione accettata di questa complessa struttura trifase (particelle solide + acqua + aria) è quella che prevede la totale presenza o la totale assenza di acqua a completo riempimento dei vuoti tra le particelle, tant'è vero che si parla in questi casi di struttura bifase e, di conseguenza, di terreni saturi e non saturi.

Ma ciò da cui dipende maggiormente il comportamento meccanico di un terreno è la grandezza delle particelle solide che lo compongono. Sulla base della dimensione dei frammenti possiamo distinguere terreni a grana grossa (come la sabbia), quando le dimensioni delle particelle solide e dei vuoti tra le particelle solide sono rilevanti, e terreni a grana fine (ad esempio un'argilla), dove contrariamente si assiste alla presenza di particelle solide e vuoti di grandezza estremamente ridotta. Conseguentemente, si può parlare di terreni molto permeabili o poco permeabili, in ragione della capacità che l'acqua ha di muoversi liberamente all'interno di questi vuoti.

La nascita dei cedimenti

Chiarita la struttura portante del terreno a livello "microscopico", abbiamo una base sufficiente per capire perché nascono questi spostamenti. Per effetto dei carichi applicati, le particelle solide presenti nel banco di terreno si muovono relativamente tra loro, cambiando la loro posizione e riducendo i vuoti interni. Macroscopicamente, questo si traduce in un abbassamento del piano campagna e delle strutture al di sopra di esso. Quindi, un cedimento al di sotto della struttura ci sarà sempre! Non esistono strutture che non cedono ma eventualmente strutture che cedono poco, tanto poco da non percepire macroscopicamente alcun tipo di spostamento. Un cedimento atteso ha un ordine di grandezza dei centimetri e, in generale, terreni sabbiosi manifestano cedimenti maggiori che terreni argillosi soggetti agli stessi carichi.

Quando invece il terreno è saturo di acqua per effetto della presenza della falda, il fenomeno di interazione tra lo scheletro solido e il fluido di porosità assume un'importanza diversa in ragione della permeabilità del terreno:

• Per terreni come le sabbie, molto permeabili, il fenomeno di interazione con l'acqua di falda è assai limitato, praticamente inesistente. All'atto di applicazione dei carichi quasi istantaneamente si assiste allo sviluppo di tutto il cedimento atteso. Questo perché l'acqua ha il tempo di allontanarsi rapidamente, data l'elevata permeabilità del terreno, e a generare una conseguente riduzione dei vuoti tra le particelle solide. Tuttavia, non si assiste ad alcuna variazione significativa nel tempo del cedimento che si osserva nei primi istanti di carico;
• Nel caso di argille, poco permeabili, si assiste ad una interazione importante tra scheletro solido e acqua. Dato che l'acqua non ha il tempo di muoversi perché il terreno oppone resistenza con la sua bassa permeabilità, si assiste ad una fase iniziale in cui praticamente il terreno può essere considerato totalmente indeformabile e quindi non soggetto ad alcun tipo di cedimento. Nel tempo, acqua e particelle solide interagiscono e si assiste al fenomeno di consolidazione: l'acqua progressivamente si allontana dalla zona caricata e i vuoti presenti si riducono, le particelle solide si riassestano e si manifesta il cedimento nella sua interezza.

È interessante osservare che mentre nel caso di terreni a grana grossa questo spostamento si manifesta praticamente in modo istantaneo, in un terreno a grana fine possono volerci anche centinaia di anni per osservarlo! Questo è conseguenza della forte interazione che l'acqua di falda ha con le particelle solide.

I danni alle strutture in elevazione

I cedimenti delle strutture di fondazione possono comportare una perdita di funzionalità della costruzione o di una sua parte. L'esempio più semplice che si può fare è pensare di avere una casa completamente sprofondata (di qualche centimetro eh!) rispetto al piano terra. Si assisterebbe alla difficoltà materiale di aprire/chiudere le porte, ad esempio.

Di fatto è relativamente difficile assistere ad una condizione di sprofondamento uniforme, data la grossa disomogeneità del terreno e la variazione dei carichi applicati punto per punto al di sotto della fondazione. Il reale comportamento di interazione tra sovrastruttura e terreno di fondazione porta alla nascita di cedimenti differenziali tra i vari punti della struttura. Questo vuol dire che magari in un punto la struttura cede di 5 cm, mentre in un altro si può avere un cedimento di 1 cm. Questo genera distorsioni interne strutturali che possono comportare la nascita di lesioni nei muri perimetrali di un edificio, rottura dei vetri delle finestre e altri problemi funzionali simili. Compito del progettista è quello di stimare in maniera quanto più realistica possibile l'entità di questi cedimenti e valutare la loro ammissibilità in funzione della tipologia di opera che si sta costruendo.

Il ruolo del tipo di fondazione

Nella pratica costruttiva, esistono due tipologie di fondazioni: quelle superficiali, ovvero le platee e le travi di fondazione, che interagiscono con i terreni per diretto contatto sugli strati superficiali (cioè sullo strato di posa); quelle profonde, ovvero i pali di fondazione, che interagiscono invece con strati di terreno a diverse quote, anche a notevoli profondità in funzione della lunghezza del palo stesso.

Le due tipologie di fondazione hanno comportamenti totalmente differenti. I pali di fondazione possono essere un'utile alternativa progettuale pensata per la riduzione dei cedimenti attesi quando gli strati più superficiali di terreno presentano caratteristiche meccaniche scadenti. Di contro, si paga scotto di avere un costo di progettazione e realizzazione maggiore, nonché la necessità di una figura tecnica specializzata per questo tipo di opere.