Una proposta concreta per la gestione e la programmazione della manutenzione di ponti e viadotti

Carlo Pellegrino - Professore Ordinario ICAR09 – Direttore Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale – ICEA dell’Università degli Studi di Padova Flora Faleschini - Ricercatore ICAR09 –Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale – ICEA dell’Università degli Studi di Padova Mariano Angelo Zanini - Professore a contratto ICAR09 –Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale – ICEA dell’Università degli Studi di Padova 15/10/2018 2511

Come stimare le curve del ciclo di vita di ponti esistenti

Garantire la sicurezza strutturale di ponti e viadotti è una questione sempre più urgente nel panorama italiano. In questo contributo si illustrano le potenzialità di un applicativo messo a punto da ICEA (UNIPD) per la stima delle curve del ciclo di vita di ponti esistenti

ponte deterioratoNell’ultimo cinquantennio, in Europa, si sono concentrati la maggior parte dei progetti per la realizzazione di nuove infrastrutture viarie per far fronte al continuo incremento di traffico sia di persone che di merci. Poiché il sistema dei trasporti gioca un ruolo determinante nello sviluppo economico e sociale di un paese, è questione di grande importanza mantenere quest’ultimo in condizioni efficienti, garantendone la massima fruibilità in ogni circostanza.

All’interno della rete stradale e ferroviaria sono collocati un gran numero di manufatti di attraversamento – ponti, viadotti, sovrappassi, opere minori – rappresentanti, sia gli elementi più impegnativi e dispendiosi dal punto di vista della realizzazione e delle risorse impiegate, sia quelli maggiormente esposti ai processi di deterioramento strutturale; e caratterizzati dai livelli maggiori di vulnerabilità in caso di eventi calamitosi eccezionali quali terremoti e inondazioni.

In anni recenti, l’attenzione delle amministrazioni e degli enti concessionari alla gestione delle infrastrutture si è rivolta, non più esclusivamente alla realizzazione di nuove opere, ma anche alla manutenzione di quanto già costruito. L’elevato onere economico da sostenere, e la cronica insufficienza di risorse da destinare, ha determinato la necessità di mettere a punto strumenti per la gestione razionale degli interventi di manutenzione ordinaria, aventi la funzione di garantire in ogni momento la sicurezza degli utenti, la corretta funzionalità dell’opera, e di assistere gli stessi enti e le amministrazioni incaricate della gestione, nell’operare le scelte più congrue per quanto riguarda la pianificazione pluriennale di interventi di manutenzione straordinaria, puntando così alla massimizzazione dell’utilità delle risorse economiche destinate a questa tipologia di capitolo di spesa.

La struttura dell'applicativo

L’applicativo, adottato da CAV (Concessioni Autostradali Venete) per la gestione dei propri manufatti, permette di simulare lo stato evolutivo medio del degrado strutturale per singoli manufatti e/o gruppi di opere infrastrutturali attraverso una serie di step sequenziali. 

Gli step

Il primo passaggio consiste nella compilazione di una scheda di valutazione ispettiva a seguito di un’ispezione visiva in-situ; quest'ultima volta alla definizione dello stato di salute dei diversi elementi strutturali mediante l’assegnazione di valori di Stato di Condizione (Condition Value, CV), e alla stima di un indice rappresentativo dello Stato di Efficienza Globale (Total Sufficiency Rating, TSR) della struttura, all’atto della visita.

I dati ispettivi vengono comparati con la previsione dello stato di deterioramento derivabile da un set di curve di danno relative ai differenti componenti strutturali. Successivamente tramite l’applicazione di un algoritmo matematico, vengono generati numericamente dei possibili stati di danneggiamento globale per la specifica opera analizzata, identificandone al tempo stesso le relative collocazioni temporali. Infine, previa definizione di una serie di parametri relativi all’importanza dell’arteria stradale in cui è collocata l’opera analizzata (RT), all’entità del danno indiretto causato da un eventuale fuori servizio della stessa (NBI), e all’anno in cui si prevede l’esecuzione di un intervento di manutenzione straordinaria, è possibile derivare come output la curva di ciclo di vita del maufatto, il valore del TSR relativo a tale istante temporale e un indice rappresentativo della velocità di progressione del degrado (IPD). Nella seguente Figura 1 viene illustrato il diagramma logico con cui l’applicativo proposto opera per la previsione dello stato di deterioramento dei manufatti da ponte.
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Figura 1 - Rappresentazione del diagramma di flusso utilizzato dall’applicativo.

La tecnica ispettiva

Lo strumento proposto si fonda sulla tecnica delle ispezioni visive, quindi sulla messa a punto di apposite "schede di valutazione" in grado di fornire un giudizio sullo stato di conservazione dei diversi elementi strutturali tramite l’assegnazione di un opportuno Condition Value (CV) e, conseguentemente, sull’opera nel suo complesso.

Ottenute le valutazioni relative ai vari elementi (CVs), si passa alla valutazione dell'intera struttura, quest’ultima, eseguita con l'algoritmo del Total Sufficiency Rating (TSR). L’algoritmo, messo a punto dagli autori, elabora i giudizi assegnati ai vari elementi, restituendo un indicatore finale (TSR) che quantifica l’efficienza complessiva della struttura [1, 2]. In Figura 2 viene riportato un esempio di stima del TSR.

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Figura 2 - Rappresentazione completa dell’algoritmo per il calcolo del TSR – versione proposta.

In un’ottica di gestione di rete (Network Level), è necessario definire diversi livelli di efficienza, cui far corrispondere altrettanti livelli di priorità di intervento. A tal fine sono state individuate quattro fasce di efficienza inversamente collegate a quattro fasce di urgenza d’intervento (Massima urgenza, intervento a breve, medio e lungo termine, rispettivamente nel caso in cui il valore di TSR sia incluso negli intervalli 1-25, 26-50, 51-75, 76-100). I quattro livelli possono essere utilizzati dall’ente gestore per definire un piano di priorità d’intervento sulla base delle informazioni fornite dagli indici ESR e TSR.

La stima degli scenari di degrado

A valle di quanto detto sinora, prima di addentrarsi nella procedura di simulazione del deterioramento, è necessario andare a definire particolari "curve di danneggiamento" relative ai diversi componenti della struttura; quest’ultime, ottenute tramite elaborazioni statistiche, consentono di stabilire trend di deterioramento per ciascun elemento strutturale. Ovviamente, affinché la stima possa essere ritenuta significativa, è necessario disporre di un numero sufficientemente grande di dati, e possibilmente suddiviso per categorie omogenee. In Figura 3 vengono riportate a titolo di esempio le curve di deterioramento per una pila in calcestruzzo armato.

La generazione degli scenari di danno è una procedura iterativa finalizzata a simulare il comportamento della struttura in alcune sue particolari fasi di deterioramento, passando attraverso le varie fasce di efficienza precedentemente definite e stimandone, volta per volta, una progressiva collocazione temporale. Il diagramma risultante (Figura 4) permette di visualizzare l’andamento degenerativo delle prestazioni. Per completare la valutazione della struttura, è necessario definire infine l’anno di intervento (o l’anno in cui si vuole ottenere la previsione) e il valore degli indici NBI e RT che, rispettivamente, tengono conto del tipo di strada in cui è collocata l’opera e il grado di confort o disagio che deve essere sostenuto dall’utente nel caso dovesse intraprendere un itinerario diverso da quello inizialmente previsto.

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Figura 3 - Curve di deterioramento per l'elemento pila in calcestruzzo armato.

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