DETERMINAZIONE ESPERTA DELLA PROFONDITÀ DI GELO DEL TERRENO

Il sollevamento da gelo dei terreni è un complesso processo fisico-geologico caratterizzato dall’aumento del volume del terreno quando l’acqua contenuta nei suoi pori gela. Questo fenomeno è una delle principali cause di deformazione delle fondazioni e delle opere ingegneristiche nelle zone soggette a gelo stagionale. Le premesse principali per lo sviluppo del sollevamento sono la presenza di terreni a grana fine (limi argillosi, argille, sabbie limose) con un elevato contenuto di umidità, una temperatura del terreno inferiore a 0°C e un afflusso costante di acqua verso il fronte di gelo.

Il meccanismo del sollevamento consiste nella formazione di lenti di ghiaccio (criostrutture) all’interno del terreno. Quando l’acqua nei pori del terreno gela, si espande di circa il 9%, il che di per sé provoca un lieve sollevamento. Tuttavia, l’effetto principale del sollevamento avviene attraverso la migrazione dell’umidità capillare dagli strati profondi e non gelati verso il fronte di gelo. Quest’acqua si accumula e gela, formando grandi lenti di ghiaccio che aumentano notevolmente il volume del terreno, sollevandolo. La pressione che ne deriva può raggiungere 0,2-0,5 MPa (200-500 tonnellate per metro quadrato), un valore che supera la capacità portante di molte fondazioni.

Secondo la DBN V.2.1-10:2018 ‘Basi e fondazioni delle strutture. Disposizioni fondamentali’, i terreni si classificano in base al grado di gelività in: debolmente gelivi (incremento di volume fino al 3%), mediamente gelivi (3-7%), fortemente gelivi (oltre il 7%) e non gelivi (meno dell’1%). Le conseguenze del sollevamento da gelo possono essere catastrofiche: cedimenti e sollevamenti irregolari delle fondazioni, crepe nei muri, deformazione di infissi di porte e finestre, compromissione dell’integrità degli impianti tecnologici. Per questo motivo, la determinazione precisa della profondità di gelo e lo sviluppo di soluzioni ingegneristiche adeguate sono elementi di importanza critica per la durabilità di qualsiasi edificio.

Per comprendere meglio come evitare problemi legati al terreno, consigliamo di leggere l’articolo ‘Come scegliere il terreno’.

La profondità di gelo normativa del terreno (NPG) è il valore medio pluriennale della profondità massima a cui il terreno gela in assenza di manto nevoso e di altri influssi termici. In Ucraina questo indicatore è disciplinato dalla DBN V.2.1-10:2018 ‘Basi e fondazioni delle strutture. Disposizioni fondamentali’, che stabilisce sia i valori normativi generali per le diverse regioni del paese, sia i metodi per calcolarli.

La profondità di gelo di calcolo della fondazione (d_f) si determina con la formula:

d_f = k * d_0

Dove:

• d_f – profondità di gelo di calcolo del terreno, m;
• k – coefficiente che tiene conto dell’influsso termico dell’edificio, delle particolarità del terreno e di altri fattori. Dipende dal tipo di terreno e dalla struttura della fondazione. Per i terreni sabbiosi e argillosi il valore di k può variare da 1,0 a 1,4, mentre per i terreni rocciosi può essere inferiore;
• d_0 – profondità di gelo normativa del terreno, m. Questo valore per una specifica regione dell’Ucraina si può trovare negli allegati alla DBN V.2.1-10:2018 o su mappe climatiche specializzate. Ad esempio, per la regione di Kyjiv la profondità di gelo normativa può variare tra 0,9 e 1,2 m a seconda della località e del microclima.

È importante capire che d_0 è solo un punto di partenza. La profondità di posa effettiva della fondazione deve tenere conto non solo del regime termico, ma anche delle caratteristiche geologiche del terreno, del livello della falda acquifera, nonché delle particolarità costruttive dell’edificio stesso. Per le opere a bassa responsabilità è ammesso l’uso di mappe medie, ma per gli edifici capitali sono obbligatorie le indagini geologico-ingegneristiche.

Una profondità di posa insufficiente della fondazione può portare a sollevamenti e abbassamenti ciclici della struttura, causandone il danneggiamento. Al contrario, un affondamento eccessivo comporta costi ingiustificati per gli scavi e i materiali. Una progettazione ottimale richiede un’analisi accurata di tutti i dati di partenza.

Per determinare con precisione la profondità di gelo del terreno e prevedere il comportamento della base dell’edificio, l’esecuzione di indagini geologico-ingegneristiche complete è una parte imprescindibile della progettazione. Questa fase permette di ottenere dati oggettivi sulla composizione, lo stato e le proprietà fisico-meccaniche dei terreni su un determinato lotto, elemento di importanza critica per il calcolo corretto della profondità di posa della fondazione e per il contrasto al sollevamento da gelo.

Il processo di indagine geologica comprende diverse fasi chiave:

• Perforazione di sondaggi: Viene eseguita per prelevare campioni di terreno a diverse profondità. Il numero e la profondità dei sondaggi dipendono dalle dimensioni del lotto, dalla complessità della struttura geologica e dal tipo di opera futura. Di norma, la profondità minima di perforazione deve superare la prevista profondità di gelo e la profondità dello strato comprimibile del terreno.
• Penetrometria statica e dinamica: Metodi che permettono di valutare la densità, la resistenza del terreno e le sue caratteristiche deformative direttamente sul posto, particolarmente importanti per determinare l’omogeneità della massa di terreno.
• Prove di laboratorio sui campioni di terreno: I campioni prelevati vengono analizzati per il contenuto di umidità, la composizione granulometrica, il coefficiente di gelività, i limiti di plasticità e altri parametri. Questi dati costituiscono la base per la classificazione dei terreni e la determinazione della loro predisposizione al sollevamento da gelo.
• Determinazione del livello della falda acquifera (RGV): Uno degli indicatori più importanti, poiché la presenza di una falda alta aumenta notevolmente il rischio di sollevamento da gelo. Il monitoraggio della falda viene condotto nei sondaggi per un periodo prolungato, per registrare le oscillazioni stagionali.

Sulla base dei dati ottenuti, i geologi redigono una relazione tecnica contenente raccomandazioni sul tipo di fondazione, sulla profondità di posa, sulla necessità di lavori di drenaggio (maggiori informazioni sul drenaggio) e su altre misure di protezione dal sollevamento. Ignorare o semplificare la fase di indagine geologica è la via diretta verso costi imprevisti e potenziali problemi nell’esercizio dell’edificio. Ad esempio, per un’opera di 100 m² con un budget di 150.000 USD, il costo delle indagini, pari a 1.000-2.000 USD, rappresenta meno dell’1,5%, ma consente di risparmiare decine di migliaia sulla riparazione di future deformazioni.

La fondazione a nastro è uno dei tipi di fondazione più diffusi, applicato con successo alla maggior parte degli edifici. Tuttavia, la sua progettazione in condizioni di sollevamento da gelo richiede un’attenzione particolare alla profondità di posa e a un insieme di misure di protezione. Regola chiave: la base della fondazione deve trovarsi al di sotto della profondità di gelo di calcolo (d_f), per evitare l’azione delle forze di sollevamento che agiscono dal basso.

L’analisi dettagliata del nodo della fondazione a nastro protetta dal gelo comprende:

• Profondità di posa: Si determina con la formula d_f = k * d_0, dove d_0 è ricavato dalla DBN V.2.1-10:2018, mentre k è il coefficiente che tiene conto del regime termico dell’edificio. Ad esempio, per edifici bassi su terreni argillosi, la profondità può essere di 1,2-1,4 m per regioni con d_0 = 1,0 m.
• Cuscinetto di sabbia: Sul fondo dello scavo viene posato uno strato di sabbia (15-30 cm), che svolge la funzione di strato drenante e non gelivo. Ciò evita il contatto diretto del terreno gelivo con la base della fondazione.
• Sistema di drenaggio: Per abbassare il livello della falda acquifera e allontanare le precipitazioni stagionali, intorno alla fondazione viene realizzato un drenaggio anulare. Questo riduce al minimo la saturazione d’acqua del terreno, fattore principale del sollevamento.
• Isolamento dello zoccolo e del marciapiede perimetrale: L’isolamento orizzontale del marciapiede perimetrale con XPS (polistirene estruso) e l’isolamento verticale della parte di zoccolo della fondazione modificano notevolmente il regime termico del terreno circostante. Uno strato di XPS con spessore di 50-100 mm e larghezza di 1,0-1,2 m dalla parete può ridurre la profondità di gelo effettiva del terreno vicino alla fondazione del 20-30%, permettendo di posare la fondazione a una profondità minore (con adeguata giustificazione di calcolo secondo la DSTU B V.2.6-189:2013). Questa soluzione è particolarmente efficace su lotti con terreni complessi.
• Armatura: La gabbia di armatura della fondazione a nastro viene calcolata in modo da assorbire gli sforzi di trazione e compressione che possono verificarsi in caso di sollevamento o cedimento localizzato.

Un esempio di errore tipico è la posa della fondazione a una profondità insufficiente senza un adeguato isolamento o drenaggio. Ciò porta a deformazioni irregolari, che si manifestano con crepe nei muri e disallineamenti di infissi di porte e finestre. Un approccio integrato alla progettazione delle fondazioni a nastro, che tenga conto delle condizioni locali e delle normative, è la garanzia della loro affidabilità. Ulteriori informazioni sulla costruzione e la progettazione delle fondazioni si trovano nella pagina ‘Fondazione’.

La Platea Svedese Isolata (UŠP) è una moderna tecnologia di fondazione, particolarmente efficace su lotti con terreni complessi soggetti a sollevamento da gelo. Questo tipo di fondazione unisce in un’unica struttura la platea portante, l’isolamento termico, gli impianti di riscaldamento e di scarico, aumentandone notevolmente la resistenza a condizioni del terreno sfavorevoli.

La differenza sostanziale della UŠP consiste nel fatto che la platea poggia sulla superficie del terreno o è interrata al minimo, mentre il gelo del terreno sottostante viene prevenuto grazie a un isolamento termico completo. Sotto l’intera superficie della platea viene posato uno strato di polistirene estruso (XPS) ad alta resistenza, il cui spessore è generalmente di 100-200 mm (a seconda della zona climatica e del valore R di calcolo). Lungo il perimetro della platea viene realizzata la cosiddetta ‘gonna termica’ — uno strato aggiuntivo di XPS che si estende nel terreno orizzontalmente per 1,0-1,5 m e verticalmente per 0,5-0,8 m. Questa struttura allontana l’isoterma di 0°C dalla base della fondazione, prevenendo efficacemente il sollevamento da gelo.

Vantaggi della UŠP per i terreni gelivi:

• Riduzione del rischio di sollevamento: Un isolamento termico efficace crea un cuscinetto caldo sotto la platea, riducendo al minimo la profondità di gelo o eliminandola del tutto sotto la fondazione.
• Distribuzione uniforme dei carichi: La fondazione a platea distribuisce uniformemente il carico dell’edificio su un’ampia superficie, riducendo la pressione specifica sul terreno e il rischio di deformazioni irregolari.
• Integrazione degli impianti: I sistemi di riscaldamento a pavimento (generalmente ad acqua, collegati agli impianti tecnologici di ventilazione e riscaldamento) e di scarico vengono installati direttamente nel corpo della platea, semplificando la costruzione e riducendo il costo complessivo.
• Elevata efficienza energetica: L’isolamento della fondazione riduce notevolmente le dispersioni di calore attraverso il pavimento, contribuendo all’alta efficienza energetica dell’edificio nel suo complesso. Il valore di resistenza termica di calcolo (R-value) per la base della UŠP deve essere non inferiore a 4,0 (m²·K)/W per le regioni centrali dell’Ucraina, secondo la DSTU B V.2.6-189:2013.

Nonostante il costo iniziale superiore rispetto alle normali fondazioni a nastro, la UŠP è spesso una soluzione più conveniente nel lungo periodo, grazie ai minori costi di esercizio per il riscaldamento e all’assenza di problemi di deformazione.

Nella pratica edilizia moderna, i calcoli termotecnici svolgono un ruolo chiave nella progettazione delle fondazioni, in particolare nell’ottimizzazione della profondità di posa e nella riduzione al minimo dell’influsso del sollevamento da gelo. La possibilità di ridurre la profondità di posa della fondazione senza comprometterne l’affidabilità si ottiene modificando in modo mirato il regime termico del terreno circostante la base, mediante un isolamento termico efficace.

Il principio fondamentale consiste nello spostare l’isoterma di 0°C più in profondità rispetto alla base della fondazione, oppure nell’eliminarne del tutto l’influsso sul terreno gelivo. A questo scopo si utilizzano materiali termoisolanti ad alta resistenza alla trasmissione del calore, come il polistirene estruso (XPS), che ha un basso coefficiente di conducibilità termica (0,029-0,034 W/(m·K)) e un basso assorbimento d’acqua.

I metodi di calcolo termotecnico, definiti dalla DSTU B V.2.6-189:2013 ‘Metodi di calcolo della trasmissione del calore’, permettono di modellare i campi di temperatura nel terreno. Vengono presi in considerazione i seguenti parametri:

• Spessore e tipo di isolamento termico: Si determina lo spessore necessario di XPS per raggiungere la resistenza termica di calcolo.
• Geometria dell’isolamento: L’isolamento orizzontale del marciapiede perimetrale e quello verticale dello zoccolo creano un ‘ombrello termico’ che allontana l’isoterma di 0°C. La larghezza dell’isolamento orizzontale è generalmente di 0,8-1,5 m dalla parete dell’edificio.
• Flusso di calore dall’edificio: La presenza di riscaldamento nell’edificio influisce anch’essa sul regime termico del terreno sotto la fondazione, creando una fonte di calore supplementare.
• Dati climatici della regione: Temperature medie mensili dell’aria, durata della stagione di riscaldamento, profondità di gelo normativa (d_0).

Secondo i calcoli, l’applicazione dell’isolamento della fondazione e del marciapiede perimetrale può ridurre la profondità di gelo di calcolo del 20-40% per la maggior parte dei terreni, permettendo di posare la fondazione a nastro a una profondità minore (ad esempio, non a 1,2 m, ma a 0,8-0,9 m con un isolamento adeguato). Questo non solo riduce il volume degli scavi e i costi del calcestruzzo, ma aumenta anche l’efficienza energetica dell’edificio, riducendo le dispersioni di calore attraverso il pavimento e le pareti dello zoccolo. Un simile approccio richiede una progettazione ingegneristica qualificata e un’esecuzione precisa dei lavori in cantiere.

Nell’edilizia moderna, il controllo del regime termico del terreno e dell’efficacia delle misure contro il sollevamento da gelo non si limita ai soli calcoli. L’applicazione di tecnologie di monitoraggio avanzate consente un controllo continuo e l’adattamento delle soluzioni ingegneristiche in tempo reale, aumentando l’affidabilità e la durabilità delle opere.

Le principali tecnologie di monitoraggio comprendono:

• Catene termistoriche (termometri a resistenza): Un sistema di sensori di temperatura installati in sondaggi a diverse profondità intorno o sotto la fondazione. I sensori possono essere collegati a un sistema automatico di raccolta dati, che consente di monitorare la dinamica del gelo del terreno durante tutto il periodo invernale. I dati ottenuti permettono di valutare l’efficacia dell’isolamento, determinare la profondità effettiva dell’isoterma di 0°C e, se necessario, apportare correzioni ai regimi di esercizio (ad esempio, regolare la temperatura del riscaldamento a pavimento nella UŠP).
• Georadar (GPR): Questa tecnologia consente di studiare in modo non invasivo gli strati sotterranei. Il georadar utilizza onde elettromagnetiche per individuare i diversi strati del terreno, la presenza di ghiaccio o acqua, nonché per visualizzare gli impianti sotterranei. Sebbene non fornisca indicazioni dirette sulla temperatura, il GPR può essere utilizzato per individuare anomalie nella massa di terreno, legate a un gelo irregolare o alla presenza di lenti di ghiaccio nascoste.
• Sensori di deformazione: Installati sulla fondazione e sulle strutture portanti dell’edificio per misurare micro-spostamenti. Questi sensori permettono di individuare i primi segnali di deformazione causati dal sollevamento da gelo nelle fasi iniziali, quando è ancora possibile intervenire per risolvere il problema.

Le soluzioni adattive basate sui dati di monitoraggio possono comprendere:

• Sistemi di protezione termica attiva: Ad esempio, la posa di cavi o tubi a bassa temperatura con fluido termovettore intorno alla fondazione, per mantenere la temperatura del terreno sopra 0°C nelle zone critiche.
• Regolazione dei sistemi di drenaggio: In base ai risultati del monitoraggio del livello della falda acquifera, è possibile ottimizzare il funzionamento delle pompe di drenaggio o ampliare la rete di drenaggio.

La convenienza economica dell’introduzione di sistemi di monitoraggio è evidente per le opere grandi o di particolare responsabilità. La prevenzione di potenziali deformazioni, il cui costo di riparazione può superare di decine di volte il costo delle apparecchiature di monitoraggio, rende queste tecnologie un elemento necessario del moderno approccio ingegneristico.

L’Ucraina, grazie al suo vasto territorio, è caratterizzata da una varietà di zone climatiche che influisce direttamente sulla profondità di gelo normativa del terreno. Comprendere queste particolarità regionali è di importanza critica per una corretta progettazione delle fondazioni e per ridurre al minimo i rischi legati al sollevamento da gelo. La DBN V.2.1-10:2018 contiene allegati cartografici che illustrano le profondità di gelo normative per le diverse regioni, ma è necessario tenere conto anche del microclima del lotto specifico.

Specificità delle zone climatiche:

• Regioni meridionali (regioni di Odesa, Cherson, Mykolaiv): Sono caratterizzate dalla minore profondità di gelo normativa, generalmente compresa tra 0,8 e 0,9 m. Qui i rischi di sollevamento da gelo sono inferiori, ma esistono ancora per i terreni a grana fine con un elevato livello della falda acquifera.
• Regioni centrali e orientali (regioni di Kyjiv, Poltava, Charkiv): La profondità di gelo normativa varia tra 0,9 e 1,2 m. Si tratta di zone a rischio elevato, dove è estremamente importante tenere debitamente conto del tipo di terreno e realizzare un isolamento efficace delle fondazioni.
• Regioni settentrionali e occidentali (regioni di Černihiv, Sumy, Volyn, Carpazi): Qui si registrano le maggiori profondità di gelo normative, che possono raggiungere 1,2-1,4 m e oltre, specialmente nelle zone montane. In queste regioni è obbligatorio l’uso di fondazioni isolate (UŠP) oppure di fondazioni a nastro profondamente interrate con protezione integrata.

Raccomandazioni pratiche:

• Indagini individuali: Anche se le mappe normative indicano una bassa profondità di gelo, effettuate sempre indagini geologico-ingegneristiche, poiché le condizioni locali (composizione del terreno, livello della falda) possono differire notevolmente.
• Soluzione integrata: Non basatevi solo sulla profondità di posa. Combinatela sempre con il drenaggio, l’isolamento del marciapiede perimetrale e dello zoccolo, nonché, se necessario, con cuscinetti non gelivi sotto la fondazione.
• Consulenza con specialisti: Coinvolgete ingegneri progettisti qualificati, con esperienza nella vostra regione. Vi aiuteranno a interpretare correttamente i dati delle indagini e a scegliere il tipo di fondazione ottimale.
• Materiali: Utilizzate materiali da costruzione e termoisolanti di qualità, conformi ai requisiti delle norme DSTU e DBN.

Un approccio accurato alla determinazione della profondità di gelo e alla considerazione delle particolarità regionali è un investimento nella durabilità e nella sicurezza del vostro edificio.