Ponte con gravi criticità statiche: il progetto e l’esecuzione dei rinforzi

L’opera, un ponte a cassoni precompressi in cinque campate soffre di un grave stato di degrado, instauratosi su di una struttura già affetta da problematiche legate a carenze progettuali.

Nell’articolo si descrive una soluzione di rinforzi, da mettere in opera con tempestività, al fine della riapertura  parziale del ponte, la cui urgenza è motivata dalla necessità di ripristinare il collegamento tra due valli.

Le particolarità delle lavorazioni riguardano da un lato la descrizione delle opere di consolidamento delle strutture dei cassoni con fasce in fibra di carbonio, dall’altro il rinforzo degli elementi fessurati posti tra i giunti Gerber con un sistema studiato appositamente per non richiedere il sollevamento dei cassoni stessi.

Su di un ponte a cassoni precompressi, affetto da gravi criticità statiche, sono stati progettati ed eseguiti interventi urgenti di rinforzo mediante tecnologie miste: consolidamento con fibre di carbonio e opere di presidio in carpenteria metallica e calcestruzzo. Gli interventi, relativi ad una sola corsia, sono finalizzati alla riapertura provvisionale al transito degli autoveicoli e costituiscono un primo intervento, da completare in una fase successiva di totale ripristino dell’opera. Si descrivono nel seguito le metodologie adottate evidenziando  le significative  difficoltà operative che hanno condizionato le scelte progettuali. Di particolare interesse i ripristini dei giunti Gerber, da realizzarsi senza la rimozione o il sollevamento delle travi tampone.

Ponte di Beverino (SP), la descrizione dell'opera

Il ponte di Beverino è ubicato nell’area della Provincia della Spezia denominata Bassa Val di Vara; esso si trova lungo la strada provinciale n.17 “della Val Graveglia” e sovrappassa il Fiume Vara collegando la Val Graveglia (lato Beverino) alla Val di Vara (lato Cavanella Vara).

La struttura (di lunghezza complessiva di 166 m) è costituita da 5 campate a travata isostatica, formate da elementi prefabbricati in cemento armato con sezione a doppio cassone. I cassoni sono precompressi longitudinalmente mediante cavi scorrevoli.

Le due campate di estremità hanno luce di 27 m; le tre campate intermedie hanno luce di 36,90 m; la luce libera teorica fra i pilastri di 2 pile successive è di 30,75 m e quella netta è di 29,95 m. La struttura è stata realizzata nei primi anni settanta (1972-1973).

 Figura 1 - Ubicazione del ponte Beverino (immagine estratta da Google Maps) 

 Figura 2 - Vista dal basso delle strutture del ponte 

Figura 3 - Prospetto longitudinale del ponte Beverino estratta dal Progetto Originale
Figura 4 - Sezioni longitudinale e trasversale del ponte Beverino estratte dal Progetto Originale

Le travate sono sostenute da pile costituite da telai spaziali in cemento armato.

Da ciascuna pila dipartono tratti di travata a doppia mensola, di lunghezza complessiva di 18,45 m, con sbalzi di luce 6,15 m; la precompressione degli sbalzi è realizzata in opera mediante cavi annegati nella soletta superiore. Le travi tampone poste tra i giunti Gerber, sono precompresse mediante cavi posti al lembo inferiore, in parte annegati nelle pareti del cassone, in parte correnti lungo la soletta inferiore, protetti da rivestimento in calcestruzzo.

Il modello tridimensionale del ponte, eseguito con metodologia Bim, è illustrato in Figura 5; in esso sono rappresentati i diversi componenti che costituiscono il complesso strutturale dell’opera.

Le spalle, costituite da elementi monolitici in calcestruzzo, non sono rappresentate nella modellazione.

 Figura 5 - Struttura completa del ponte

La sezione trasversale dell’impalcato è illustrata in Figura 6 e Figura 7. Ciascuno dei due cassoni è composto dall’assemblaggio di due profili a zeta. Gli elementi a cassone sono precompressi in opera mediante cavi scorrevoli posti inferiormente sugli elementi tampone e superiormente sugli elementi a sbalzo.

Gli elaborati originali di progetto, reperiti negli archivi della Provincia della Spezia (ex Genio Civile), sono stati un elemento prezioso per l’analisi globale e di dettaglio del manufatto.

La revisione progettuale ha confermato quanto emerso nel corso dei sopralluoghi, evidenziando una carenza iniziale intrinseca, legata alla insufficiente armatura a taglio sugli elementi mensola. A tale carenza si era tentato a suo tempo di rimediare con un intervento, realizzato a opera ormai completata, consistente nell’inserimento di barre di grande diametro nelle pareti del cassone. In Figura 2 si possono osservare le piastre di ancoraggio e le teste dei tirafondi, nel frattempo interessati da fenomeni di corrosione e deformazione. Che l’intervento sia stato eseguito in fase successiva alla costruzione risulta dal fatto che detti elementi non compaiono negli elaborati progettuali.

Sull’efficacia di tale accorgimento si esprimono grandi perplessità, legate in particolare alla loro difficoltà di esecuzione, che prevedeva la foratura per tutta l’altezza (circa 1,40 m) delle pareti inclinate e sottili (16 cm) in cui posizionare le barre aggiunte l’attraversamento.

Figura 6 - Sezione trasversale e armatura di un cassone estratta dal Progetto Originale 
Figura 7 - Geometria del cassone con soletta di completamento estratta dal Progetto Originale

Scelte strategiche degli interventi di ripristino del ponte

Nell’ambito dell’incarico ricevuto di progettazione degli interventi di rinforzo l’attenzione dei progettisti è stata posta verso gli aspetti decisionali su modalità e tempi di intervento, costituenti parte integrante del processo progettuale. La soluzione andava ricercata non limitandosi a riguardare aspetti meramente tecnici, ma in un’ottica che doveva abbracciare considerazioni su fattori correlati di sostanziale importanza, quali la pubblica utilità e le conseguenti strategie per ridurre il disagio della cittadinanza. Le esigenze, espresse dalla committenza che si poneva quale obbiettivo prioritario di venire incontro al disagio della popolazione mediante il ripristino in tempi brevi del collegamento di vallata, dovevano necessariamente trovare risoluzione.

Al contempo dovevano essere tenuti in conto i finanziamenti disponibili e le procedure di affidamento codificate nel Codice degli Appalti.

Gli interventi di ripristino sono quindi stati scissi in due fasi distinte:

• 1a fase: riapertura della viabilità delle sole autovetture su un’unica corsia, senso unico alternato e a velocità di percorrenza limitata;
• 2a fase: ripristino completo dell’intera opera.

Secondo il mandato ricevuto, in questa sede viene descritta la prima fase di interventi, relativa alla riapertura alle sole autovetture, ricadente nell’ambito dei “Lavori di somma urgenza”. Le relative opere sono attualmente in corso di realizzazione. Dal punto di vista ingegneristico, la soluzione ha dovuto quindi tenere conto da un lato delle limitate risorse, dall’altro di tempi rapidi per l’esecuzione, perseguendo nondimeno l’obiettivo di mettere in opera rinforzi utili anche per la fase successiva, vale a dire di ripristino dell’opera nella sua completezza.

Stato di conservazione e criticità riscontrate nel ponte in calcestruzzo armato a cassoni precopressi di Beverino

I danneggiamenti più critici, rilevati in sede di ispezione preliminare, riguardavano gli stati di fessurazione presenti sulle pareti dei cassoni costituenti gli elementi a sbalzo e i gravi ammaloramenti in corrispondenza delle giunzioni tipo Gerber.

Si sono osservate, nel corso dei sopralluoghi,  fessure a 45° sulle pareti dei cassoni costituenti le parti a mensola dell’impalcato. Tali lesioni testimoniano le gravi criticità della struttura nei confronti delle sollecitazioni a taglio (Figura 8).

Il confronto tra la situazione attualmente riscontrata e quella di un’ispezione effettuata sempre dalla società Archimede circa dieci anni prima, ha permesso di accertare l’incrementarsi significativo del degrado nel tempo, con  l’ampliarsi delle fessure e la conseguente necessità di  interdizione del transito sul ponte.

Sul manufatto è stata quindi effettuata una campagna di indagini più approfondite, propedeutiche alla redazione del progetto dei rinforzi.

Tale campagna di indagini ha compreso:

• ispezioni visive all’interno dei cassoni, mediante telecamera;
• prelievi di carote di calcestruzzo e prove di rottura a compressione;
• prelievi di campioni di barre di armatura e prove di trazione.

Con le informazioni così acquisite si è proceduto alla verifica delle strutture e alla redazione del progetto con cui sono stati appaltati i lavori.

Tuttavia la completa consapevolezza sullo stato effettivo del manufatto si è reso possibile solo a cantiere avviato, ossia una volta realizzate opportune botole nella soletta superiore dell’impalcato per consentire l’accesso all’interno dei cassoni.

La situazione generale che si è presentata all’interno dei cassoni si è rivelata  molto più grave di quanto prevedibile con le ispezioni mediante telecamera. Gli stati di degrado e di corrosione  presentavano criticità non individuabili  in fase di progetto. In particolare, le superfici interne delle pareti e delle solette in calcestruzzo presentavano stati di deterioramento molto più significativi e diffusi rispetto a quelli delle superfici esterne e a quanto visibile tramite video ispezioni. I fenomeni di carbonatazione, esfoliazione, corrosione ed espulsione dell’armatura (Figura 9) si presentavano molto significativi e a carattere diffuso.

Come si è potuto constatare, una volta avuto accesso all’interno delle strutture del ponte, la scarsa tenuta all’acqua dei giunti a livello del piano stradale ha provocato ulteriori importanti ammaloramenti localizzati (Figura 10), tali da richiedere interventi di consolidamento importanti ed invasivi.

 Figura 8 - Fessure a taglio sulle mensole in calcestruzzo: in rosso le barre aggiuntive installate successivamente al completamento del ponte

 Figura 9 - Staffe interne dei cassoni interrotte a causa della corrosione 

 Figura 10 - Sella di appoggio fortemente ammalorata

Modellazione della struttura e analisi delle criticità con metodologia BIM

Per lo sviluppo della progettazione, a partire dagli elaborati del progetto originale, mediante tecnologia BIM (Building Information Modeling), è stato realizzato il modello tridimensionale completo del ponte, utilizzando il codice di modellazione Revit della Autodesk. La metodologia BIM consente, come noto, di realizzare un modello parametrico tridimensionale costituito da elementi e di associare a ciascuno di essi i parametri e le proprietà di interesse (Figura 11).

Nel caso specifico il modello è stato utilizzato per visualizzare i punti di indagine e associare, ad ognuno di essi, le schede parametriche dei risultati ottenuti; inoltre il modello BIM è stato utilizzato come base per lo sviluppo del modello strutturale necessario per il calcolo delle sollecitazioni negli elementi strutturali, con il metodo numerico degli Elementi Finiti.

Una siffatta procedura per la memorizzazione delle informazioni e per la gestione dei flussi di dati costituisce il punto di partenza, nell’ottica futura dell’attivazione di un sistema di digitalizzazione integrato per la gestione e manutenzione programmata di un insieme complesso costituito dalle molteplici opere di interesse.

Anche limitatamente alla singola opera il modello BIM potrà essere implementato successivamente con dati acquisiti tramite indagini ulteriori e successive, quali a titolo d’esempio lo stato di conservazione dei trefoli, i monitoraggi degli stati di deformazione a seguito della riapertura al transito, l’andamento dei deterioramenti, ecc..

 Figura 11 - Estratto del modello BIM con indicazione dei punti di indagine

A partire dal modello tridimensionale FEM così ottenuto, la progettazione degli interventi di rinforzo è stata sviluppata con il software agli elementi finiti Midas Gen. Il modello è costituito da elementi tipo beam, per la modellazione delle due travi a cassone, e da elementi tipo plate, per la modellazione della soletta di collegamento. Ai fini di una fedele rappresentazione della struttura, in grado di tenere conto della ripartizione trasversale dei carichi, agli elementi plate è stata assegnata rigidezza trasversale effettiva e resistenza longitudinale nulla.

 Figura 12 - Modello strutturale sviluppato con il software Midas Gen

Per i carichi accidentali mobili, il software permette la definizione di “strisce di carico” lungo cui far avanzare i Modelli di Carico di normativa.

Il calcolo strutturale, riguardante l’intero ponte, è stato condotto sia secondo le indicazioni contenute nella normativa vigente all’epoca del progetto, sia di quella attuale, nell’ipotesi che non fossero presenti stati di degrado.

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All'interno dell'articolo:

• Progetto dei rinforzi
• Rinforzi dei cassoni
• Studio per il rinforzo delle selle Gerber
• Rinforzo delle selle Gerber prescelto
• Conclusioni e sviluppi futuri