VULNERABILITÀ DI PONTI E VIADOTTI SECONDO LINEE GUIDA MIT : CLASSE DI ATTENZIONE, COLLASSO, METODI DI ATTENZIONE
ASPETTI INNOVATIVI SULLE TECNICHE DI MODELLAZIONE, ANALISI E VERIFICHE PER LA VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA DI LIVELLO 4 ASSOCIATA AL RISCHIO SISMICO, STRUTTURALE, TRANSITABILITÀ E DEGRADO
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VULNERABILITÀ DI PONTI E VIADOTTI SECONDO LINEE GUIDA MIT : CLASSE DI ATTENZIONE, COLLASSO, METODI DI ATTENZIONE
Matteo Felitti
Francesco Oliveto
Filippo Valvona
Nel presente articolo – diviso in tre parti – viene trattata la valutazione del rischio sismico di ponti e viadotti secondo l’approccio proposto dalle linee guida del MIT (2020). L’approccio (multilivello) che si sviluppa su 6 livelli di studio che vanno dal livello 0 a livello 5, permette, tramite i primi tre livelli, quali il censimento/geolocalizzazione, le schede di difettosità e la stima della classe di attenzione, di definire in funzione del rischio massimo associato a quello fondazionale e strutturale, sismico, idraulico e da frana, di individuare tramite le priorità di intervento, un numero limitato di ponti su cui effettuare valutazioni più approfondite di livello 3/4 con riferimento al capitolo 8 (capitolo 8.3-Valutazione della sicurezza) delle Norme Tecniche sulle Costruzioni di cui al D.M.17.01.2018 e relativa circolare esplicativa n.7 del 21 Gennaio 2019.
L’intero percorso della valutazione, tramite analisi storico critica, definizione del livello di conoscenza attraverso un piano di indagine e prove in situ e di laboratorio, la geometria e i dettagli strutturali e le relative caratteristiche meccaniche dei materiali costituenti il ponte o viadotto, ci permetterà, utilizzando adeguati di modelli di calcolo e metodi di analisi da semplificati a raffinati, di determinare l’indicatore di sicurezza statico ζ_vi e sismico ζ_(E-SLV) (vulnerabilità), che insieme alla Pericolosità ed Esposizione, la determinazione quindi del rischio sismico associato.
Dopo un primo cenno sui criteri e obiettivi delle linee guida con riferimento alla classe di attenzione, si passerà allo studio dei meccanismi di collasso di alcune tipologie di ponti in calcestruzzo armato. Infine sarà effettuata un’ampia disamina dei modelli e metodi di calcolo presenti nella letteratura tecnico-scientifica con le limitazioni alle tipologie calcolabili nelle ipotesi del metodo utilizzato. La parte II e III del presente articolo vedrà un’applicazione ad un caso di studio reale sviluppato Step-by-Step al fine di determinare la classe di rischio sismico.
Introduzione alle linee guida
L’approccio multilivello, definito, migliorato e perfezionato da commissioni esperte nominate dal Consiglio Superiore del Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, propone di raggiungere i seguenti obbiettivi:
- Definire ed uniformare i criteri per il monitoraggio, la valutazione della sicurezza strutturale e la classificazione del rischio dei ponti esistenti, anche in considerazione del transito dei mezzi eccezionali;
- Fornire raccomandazioni ai fini della definizione di piani e programmi di manutenzione straordinaria delle infrastrutture, ed in particolare delle opere d’arte contenenti i criteri di analisi di rischio per l’individuazione delle priorità d’intervento.
L’approccio multilivello permette di passare da valutazioni speditive applicabili su scala territoriale a valutazioni più approfondite su un numero limitato di ponti, selezionati sulla base dei risultati delle valutazioni su scala territoriale.
L’approccio si sviluppa su 6 livelli differenti, aventi grado di approfondimento e complessità crescenti:
- Maggiore grado di approfondimento e livello di dettaglio;
- Maggiori risorse economiche e temporali necessarie;
- Minore numero di infrastrutture su cui applicare il livello.
Il livello 2 prevede la classificazione speditiva basata sulla classe di attenzione sismica associata a tutti i ponti. N°3 fattori possono essere definiti in funzione di numerosi parametri. Sulla base dell’esperienza, per ciascun fattore si possono selezionare parametri primari e parametri secondari:
Le combinazioni di parametri primari e secondari si possono eseguire con un approccio per operatori logici.
Pericolosità: Accelerazione di picco al suolo e Categoria topografica + Categoria di sottosuolo
Accelerazione di picco al suolo (ag) e categoria topografica (Ti)
La pericolosità sismica dipende da:
- ag=accelerazione orizzontale di picco al suolo con probabilità di eccedenza del 10% in 50 anni, per suoli rigidi;
- Ti=categoria topografica (secondo le NTC2018)
Vulnerabilità Schema strutturale, luce e materiale
La classificazione della vulnerabilità è effettuata sulla base di:
LO STUDIO COMPLETO
- Parte I: Classe di attenzione, meccanismi di collasso, modelli di calcolo e metodi di valutazione;
- Parte II: Applicazione del metodo SCN ad un caso di studio. Il viadotto Ponticelli;
- Parte III: Influenza del degrado per corrosione delle armature sulla Vulnerabilità sismica del Viadotto Ponticelli.
La classificazione della vulnerabilità sismica sulla base dello schema statico, luce e materiali è corretta in funzione della norma di progettazione, distinguendo i codici cosiddetti «sismici» da quelli «non sismici». Occorre infatti considerare l’eventualità per cui l’azione sismica non sia stata affatto messa in conto nel progetto delle strutture. Tale aspetto è strettamente correlato con la normativa tecnica di riferimento per la progettazione del ponte. La tipologia di normativa di progettazione impiegata dipende dall’anno di progettazione e dalla localizzazione del ponte e in base a questa, la classificazione definita sulla base di schema statico, luce e materiale è corretta secondo il flusso logico in figura.
L’ARTICOLO CONTINUA…
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Data Pubblicazione: 15.07.2022
Vulnerabilità di ponti e viadotti secondo linee guida MIT: applicazione del metodo SCN ad un caso di studio
Matteo Felitti
Francesco Oliveto
Filippo Valvona
Nell’articolo successivo tale valutazione sarà all’influenza che il degrado per corrosione ha sulla vulnerabilità sismica in funzione dello scenario proposto.
Caso di studio – Valutazione del viadotto Ponticelli A1 Milano Napoli
Lo scopo dell’analisi è di definire la vulnerabilità sismica del ponte in oggetto con riferimento ai diversi stati limite definiti dalla normativa.
L’analisi è eseguita utilizzando il programma di calcolo a elementi finiti SAP2000. Il programma SAP2000 consente di valutare il comportamento anelastico degli elementi strutturali e dei dispositivi di appoggio/collegamento mediante legami a plasticità concentrata Momento–Rotazione e Forza–Spostamento secondo il metodo SCN e con riferimento al Manuale AVS2.0.
Posizionamento geografico del viadotto in oggetto
Descrizione del modello
Il Viadotto in oggetto è costituito da due carreggiate a tre corsie e composto da n.6 campate uguali che hanno lunghezza pari a 32 m. Il ponte originario risale al 1959 ed aveva due carreggiate e due corsie.
Nel 1989 sono iniziati i lavori di allargamento per la realizzazione della terza corsia. Le opere strutturali prevedevano l’inserimento di doppie pile cave alle estremità della pila esistente costituita da un telaio in c.a. il tutto collegato con un nuovo pulvino che inglobava quello esistente.
Le spalle sono state adeguate alla nuova sede stradale con la realizzazione di fondazioni profonde. L’impalcato ha previsto n°2 travi in c.a.p. per carreggiata. Tutte le campate sono costituite da impalcati in c.a.p. con travi a doppio T e soletta in c.a. Le travi sono di due tipologie per i lavori della terza corsia. Le singole campate sono appoggiate su dispositivi in neoprene/acciaio. Lo schema di calcolo dell’impalcato è di trave continua su più appoggi. Nel modello sono state considerate le travate costituenti l’impalcato da ponte e i vari dispositivi di appoggio/collegamento di quest’ultimo.
LO STUDIO COMPLETO
- Parte I: Classe di attenzione, meccanismi di collasso, modelli di calcolo e metodi di valutazione;
- Parte II: Applicazione del metodo SCN ad un caso di studio. Il viadotto Ponticelli;
- Parte III: Influenza del degrado per corrosione delle armature sulla Vulnerabilità sismica del Viadotto Ponticelli.
Al fine di definire correttamente le masse sismiche della struttura, sono stati considerati anche i carichi associati agli elementi non strutturali (pavimentazione, cordoli, marciapiedi). Le non-linearità dovute al materiale sono state applicate a tutti gli elementi strutturali e dispositivi di appoggio/collegamento, ad esclusione degli elementi costituenti l’impalcato.
Le travate dell’impalcato da ponte e relativa soletta sono state modellate con elementi membrana priva di peso, rigidamente connessa nel piano orizzontale mediante elementi gap per simulare il giunto tra le campate.
Gli appoggi delle travate sulle pile sono stati modellati mediante molle non lineari in grado di tenere conto, in funzione dell’entità degli spostamenti relativi orizzontali, della caduta dell’impalcato sulla sommità della pila, dell’attrito calcestruzzo-calcestruzzo.
Analogamente, sono stati modellati gli appoggi sulle spalle e l’interazione spalla terreno tramite link non lineari reagenti a sola compressione fino all’attivazione della resistenza passiva.
Modello agli elementi finiti del Viadotto in oggetto. (Direzione longitudinale Y- trasversale X)
Modello agli elementi finiti solido del Viadotto in oggetto
Normative di riferimento
La verifica è svolta in accordo con le seguenti normative:
- D.M. 17/01/2018 – Aggiornamento delle “Norme tecniche per le Costruzioni”.
- CIRCOLARE 21/1/2019 n.7 C.S.L.L. – Istruzioni per l’applicazione dell’“Aggiornamento delle “Norme tecniche delle costruzioni”;
- ATC – Applied Technology Council (1996) Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Building Report No. ATC-40, Redwood City, CA.
- Norme Californiane Caltrans – California Dept. Of Transportation (2006), Seismic Design Criteria ver. 1.4, Sacramento, CA.
Caratteristiche dei materiali e resistenze di calcolo
Pile e impalcato
Le caratteristiche meccaniche dei materiali utilizzati per l’opera in oggetto, sono differenziate in funzione dei periodi di realizzazione iniziale e dei lavori di allargamento per la terza corsia.
Gli elementi strutturali in c.a. a comportamento non lineare (pile) sono stati modellati nel dettaglio mediante elementi strutturali, caratterizzati da legami elasto-plastici Momento-Rotazione e elasto-fragili Taglio-Deformazione coerenti con i modelli proposti in D.M. 17/01/2018 e relativa Circolare; per definirne le proprietà meccaniche di resistenza e duttilità, si è fatto riferimento alle geometrie ed armature indicate nelle tavole di progetto e ai seguenti diagrammi tensione-deformazione:
Data Pubblicazione: 19.07.2022
Vulnerabilità di ponti e viadotti secondo linee guida MIT: influenza del degrado per corrosione delle armature
Matteo Felitti
Francesco Oliveto
Filippo Valvona
Tale valutazione sarà effettuata portando in conto l’effetto che il degrado per corrosione delle armature, in funzione dello scenario, ha sulla vulnerabilità sismica
Caso di studio – Valutazione del viadotto Ponticelli A1 Milano Napoli
L’analisi è eseguita utilizzando il programma di calcolo a elementi finiti Seismostruct. Il programma Seismostruct consente di valutare il comportamento anelastico degli elementi strutturali tramite un approccio a plasticità diffusa e dei dispositivi di appoggio/collegamento mediante link non lineari con legame assegnato secondo il metodo SCN e con riferimento al Manuale AVS2.0.
Posizionamento geografico del viadotto in oggetto.
Valutazione di ponti e viadotti esistenti soggette a degrado per corrosione
Introduzione ai fenomeni di degrado
Il problema della durabilità delle opere in c.a. è quanto mai attuale e spesso correlato al degrado da corrosione. Generalmente tale fenomeno è provocato dall’azione dell’anidride carbonica e/o dalla penetrazione dei cloruri provenienti dall’acqua di mare o dai sali disgelanti. Particolarmente significativo nel caso di infrastrutture ubicate vicino al mare, è associato il fenomeno di corrosione localizzata per pitting delle armature.
Per tale di corrosione, studi scientifici di letteratura hanno definito riduzioni di resistenza e duttilità sezionale fino al 25% a fronte di una esposizione di 70 anni. Il calcestruzzo armato, con il trascorrere del tempo, non è esente dalla perdita delle sue proprietà protettive e, conseguentemente, il film stesso di passività può essere danneggiato per i seguenti motivi:
- per carbonatazione, che consiste nella neutralizzazione dell’alcalinità del calcestruzzo da parte dell’anidride carbonica proveniente dall’ambiente esterno;
- per penetrazione di cloruri, quando sulla superficie delle armature viene raggiunto e superato un determinato tenore critico, tale da distruggere, localmente, il film protettivo;
- per correnti disperse, che interferiscono con le armature passando in alcune parti dal calcestruzzo alle armature e in altre dalle armature al calcestruzzo;
- Al venir meno delle condizioni di passività, il processo corrosivo delle armature può aver luogo se nel calcestruzzo a contatto con la loro superficie sono presenti ossigeno ed acqua, questi due componenti combinati con il ferro, danno origine ai prodotti di corrosione attraverso un determinato processo elettrochimico.
Tipologie di corrosione delle armature e sviluppo delle fasi di innesco e propagazione della corrosione
Rappresentazione schematica dello sviluppo della corrosione in strutture in c.a.
Il processo corrosivo delle barre di armature all’interno del calcestruzzo può essere schematizzato secondo il modello di Tuuti et.al, rappresentato in tabella:
Rappresentazione dello sviluppo della corrosione (Tuuti et.al)
LO STUDIO COMPLETO
- Parte I: Classe di attenzione, meccanismi di collasso, modelli di calcolo e metodi di valutazione;
- Parte II: Applicazione del metodo SCN ad un caso di studio. Il viadotto Ponticelli;
- Parte III: Influenza del degrado per corrosione delle armature sulla Vulnerabilità sismica del Viadotto Ponticelli.
Metodi di modellazione e analisi in presenza di degrado per corrosione
La valutazione della capacità portante residua di opere infrastrutturaliesistenti soggetti ad azioni di degrado per corrosione non può prescindere dai seguenti aspetti di modellazione, analisi e verifiche:
- Scelta di elementi finiti non lineari in relazione alla tipologia strutturale, che incorporano nella formulazione meccanica modelli di degrado a corrosione;
- Individuazione di modelli di degrado per corrosione più appropriati per la struttura oggetto di valutazione, che tengono in conto in maniera semplificata o completa dei fenomeni fisico meccanici presenti in tali condizioni;
- Metodi di analisi di tipo statico o dinamico in presenza di non linearità meccaniche e geometriche ove necessario;
- Metodi di verifica per sezioni o elementi con degrado dell’acciaio e calcestruzzo.
La valutazione può essere effettuata con una procedura a due step:
1. Valutazione della capacità portante statica e sismica di strutture in c.a. soggette ad un livello di degrado noto, rilevato tramite indagini.
I parametri del modello di devono poter definire gli indici di degrado relativi:
- Alla riduzione delle sezioni, resistenza e duttilità delle barre in acciaio;
- Alla riduzione della resistenza del calcestruzzo a compressione in condizioni di fessurazione;
- Alla riduzione dell’aderenza all’interfaccia acciaio-calcestruzzo.
La conoscenza della struttura tramite tecniche di rilievo speditivo e avanzato, indagini in sito e di laboratorio, devono permettere di valutare:
- Gli elementi soggetti a degrado per corrosione e le relative condizioni al contorno sui lati esposti;
- La tipologia di azione corrosiva tra uniforme (carbonatazione) o localizzata (Pitting da cloruri);
- La valutazione dell’area delle barre esistenti o perdita di massa corrosa, la resistenza e duttilità dell’acciaio e calcestruzzo in condizioni di degrado;
Le analisi saranno effettuate per scenari di degrado, ci permetteranno di valutare lo stato di sicurezza della struttura nell’intorno dell’istante temporale.
2. Valutazione tramite analisi dinamiche lente sul modello di cui al punto 1: tenendo in conto della variabilità temporale dei parametri che regolano la diffusione degli agenti aggressivi sull’elemento strutturale. Risultato dell’analisi è la stima della capacità portante della struttura ad ogni istante di tempo. La curva di capacità resistente-tempo sarà un utile strumento per la scelta delle tempistiche con cui programmare eventuali interventi di manutenzione (vedi fig.3.1).
- Tale modello ci permetterà inoltre di valutare gli indici di robustezza strutturale, i possibili meccanismi resistenti che possano attivarsi in condizioni di azioni estreme quale il degrado ai fini di scongiurare il collasso strutturale.
Evoluzione del degrado nel tempo per una trave mista cls-acciaio (Vergani e Biondini-2010)
La tipologia di elementi finiti da utilizzare per la modellazione e l’analisi non lineare di strutture soggette a degrado è funzione della tipologia strutturale, dalla scala del problema (locale o globale) e dall’accuratezza della soluzione. In ogni caso le strategie di modellazione F.E.M. ormai consolidate appartengono alle seguenti categorie (vedi figura.3.2):
- Elementi beam non lineari a plasticità diffusa o concentrata senza non linearità geometrica, con effetti del secondo ordine o di grandi spostamenti/rotazioni;
- Elementi shell non lineari multistrato o a layer nel piano e fuori piano in presenza o meno di non linearità geometriche;
- Elementi brick non lineari con o senza non linearità geometrica o di contatto.
Strategie di modellazione con elementi finiti non lineari (Martinelli et al.)
N.B. Sono foto, fornitemi dagli autori, di ponti e viadotti provenienti da diverse zone dell’Italia con le stesse problematiche di danno per corrosione
Problematiche evidenziate nell’articolo e riportate nel libro (foto di copertina) che ha richiesto oltre 2 anni di intenso lavoro dei professionisti della Basilicata , della Calabria e del Lazio
NOTA AUTORI
MATTEO FELITTI (Lucano)
Strutturista, Ispettore Ponti e Titolare dello studio tecnico ENGINEERING & CONCRETE CONSULTING, si occupa principalmente di calcolo strutturale , dissesti statici nelle costruzioni esistenti, degrado dei materiali e di tecnologia del calcestruzzo presso importanti aziende del settore. Cultore di Scienza delle Costruzioni ICAR/08 e Docente di “Calcolo Automatico delle Strutture ” presso la Facoltà di Architettura – Università degli Studi di Napoli, Federico II.
FRANCESCO OLIVETO (Lucano)
Strutturista, Geotecnico, specializzato in particolare modo nelle verifiche sismiche di edifici esistenti soggetti a danno inglobato. Collaboratore esterno con il Gruppo Sismica srl per la formazione continua e lo sviluppo di metodologie di calcolo di strutture in muratura e in c.a. in condizioni di danno pregresso e attuale ai fini della stima della capacità residua.
DANILO PELLE (Calabrese)
Strutturista, socio della società di Ingegneria Cooprogetti Soc. Coop., si occupa principalmente di progettazione infrastrutturale, geotecnica, progettazione BIM e ispezione di ponti. BIM Coordinator cerficato Accredia, Ispettore di Ponti di 2° Livello cerficato Accredia.”
FILIPPO VALVONA (Laziale)
Strutturista, operante nel settore delle strutture con particolare attenzione ai problemi di Ingegneria Sismica. Dottore di Ricerca in Progettazione ed Ingegneria del Sottosuolo e dell’Ambiente Costruito (P.I.S.A. XXVI° Ciclo) presso l’Università degli Studi “G. d’Annunzio” di Chie-Pescara ed Assegnista di Ricerca (Anni 2014-2017) presso il DICEAA dell’Università degli Studi dell’Aquila.
PRESENTAZIONE AL LIBRO
La presentazione di un testo, generalmente, è uno scritto che viene curato dallo stesso autore in quanto è utile a fornire la chiave di lettura del lavoro attraverso la disamina degli orientamenti che lo hanno principalmente ispirato.
Aver affidato a persona diversa dall’autore la presentazione del testo in parte ne spiega anche l’indirizzo che gli autori hanno inteso affermare nell’adottare una trattazione molto trasversale dei temi trattati.
Il testo si colloca, infatti, in un momento storico di introduzioni e rivisitazioni Normative su argomenti che, per quanto noti ed analizzati da tempo, non sono stati recepiti dalle stesse norme in modo compiuto. Ciò, inevitabilmente, pone la comunità tecnica di fronte al complicato trasferimento ed alla difficile adozione in ambito analitico dei principi ispiratori delle norme.
Il testo si snoda in una ampia disamina degli aspetti inerenti la valutazione dello stato di Ponti e Viadotti, partendo dal capitolo 2 che riprende, tra gli argomenti trattati dalle Linee Guida del MIMS, gli approccio multilivello partendo dal livello 0 fino al livello 2.
Il terzo capitolo affronta gli aspetti relativi alla valutazione del livello di sicurezza secondo le norme tecniche affrontando gli argomenti a partire dalla costruzione degli ambiti di verifica fino alla modellazione ed alla valutazione dei risultati delle verifiche analitiche.
Nel quarto capitolo è proposta una disamina ampia e completa mediante l’inserimento di casi studio relativi sia ad una opera in c.a. che ad una opera in muratura.
Il quinto capitolo può ritenersi quello di maggiore importanza del testo perché svolge una disamina dettagliata di aspetti che non trovano una analoga globale trattazione nella letteratura tecnica ed offrono un metodo di analisi che ben si colloca qualora si vogliano fornire strumenti adeguatiagli indirizzi di norma che diversamente rimarrebbero solo un enunciato di principio.
Chiude il testo il capitolo 6 con la trattazione, anche mediante un caso studio, dell’evoluzione delle tipologie di ponti in muratura.
Avigliano (PZ), 19/05/2023
Lucia Rosaria Mecca
Direttore Generale presso MECCAINGEGNERIA Laboratori Srl
#sapevatelo2024
