L’isolamento sismico nei ponti (nuovi ed esistenti): criteri di progetto e applicazioni

La prima applicazione di isolamento sismico in Italia fu su un viadotto; in particolare il Viadotto Somplago dell’autostrada Udine-Tarvisio (Figura 1), costruito nel 1976 con dispositivi a scorrimento sulle pile e dispositivi in gomma tra l’impalcato e le spalle. Grazie a questo sistema di protezione sismica, il Viadotto superò indenne le due scosse dell’11 settembre (magnitudo M = 5.3 e 5.6, rispettivamente) e le due scosse del 15 settembre 1976 (M = 5.9 and 6.0, rispettivamente), che interessarono il Friuli con epicentri a pochi chilometri dal viadotto. Al contrario, molte strutture nella zona furono seriamente danneggiate. L’eccellente comportamento del Viadotto Somplago favorì un rapido incremento del numero di applicazioni di sistemi innovativi di protezione sismica su ponti e viadotti di nuova costruzione in Italia, che assunse un ruolo di leadership nel mondo con oltre 150 applicazioni già all’inizio degli anni ’90 (Clemente, 2017). 

Come ben noto, l’isolamento sismico incrementa il periodo fondamentale di vibrazione di una struttura cosicché le accelerazioni in essa sono significativamente ridotte. Nel contempo gli spostamenti aumentano sensibilmente col periodo di vibrazione; essi, però, riguardano essenzialmente i dispositivi, soggetti ad ampi spostamenti relativi, mentre la parte sovrastante della struttura si comporta quasi come un corpo rigido. Ne consegue un grado di sicurezza non perseguibile con le tecniche tradizionali: una struttura sismicamente isolata ben progettata non subirà danni nemmeno in occasione dell’evento sismico di progetto. 

Negli edifici l’isolamento sismico è quasi sempre realizzato alla base o al di sopra di una porzione limitata della struttura, che in genere può essere considerata infinitamente rigida, e consente soprattutto di proteggere la sovrastruttura dalle azioni sismiche orizzontali; ovviamente i vantaggi si risentono anche in fondazione. Per i ponti, invece, gli isolatori si inseriscono, come gli usuali apparecchi di appoggio, tra le strutture verticali e l’impalcato, consentendo di ridurre le azioni che l’impalcato stesso trasmette alle pile e alle spalle e, quindi, alle relative fondazioni. Le strutture verticali, in generale, non possono essere considerate infinitamente rigide. Nei ponti a travata continua, la scelta e distribuzione dei dispositivi deve ottimizzare la distribuzione delle forze sismiche orizzontali dall’impalcato alle diverse strutture di supporto.

A parte questa sostanziale differenza, che comporta diverse considerazioni, i principi dell’isolamento sismico sono di validità generale. Le strategie d’isolamento per ottenere la riduzione della risposta sismica orizzontale, qualunque siano la tipologia e i materiali strutturali del ponte, sono quella di incrementare il periodo fondamentale della costruzione per portarlo nel campo delle minori accelerazioni di risposta, o quella di limitare la massima forza orizzontale trasmessa. In entrambe le strategie le prestazioni dell’isolamento possono essere migliorate attraverso la dissipazione di una consistente aliquota dell'energia meccanica trasmessa dal terreno alla costruzione. 

Va osservato che l’isolamento sismico è particolarmente idoneo anche per l’adeguamento dei ponti esistenti, laddove è richiesta spesso la sola sostituzione degli appoggi esistenti con isolatori sismici. 

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Figura 1.  Il viadotto Somplago sulla Udine-Tarvisio (per gentile concessione di FIP mec).

Specificità dell’isolamento sismico nei ponti 

Un sistema di isolamento sismico consiste in un insieme di dispositivi d'isolamento, posti tra la sottostruttura, che rimane ancorata al terreno e comprende fondazioni, pile e spalle, e la sovrastruttura, normalmente costituita dall’impalcato, che rimane sismicamente isolata. L’insieme dei dispositivi costituisce l’interfaccia d’isolamento. Il sistema d'isolamento comprende gli elementi di connessione e gli eventuali vincoli supplementari disposti per limitare gli spostamenti orizzontali dovuti ad azioni non sismiche, come il vento. Al contrario di quanto avviene normalmente negli edifici, la deformabilità orizzontale della sottostruttura è in genere non trascurabile. 

Come per gli edifici, anche per i ponti la sovrastruttura e la sottostruttura devono mantenersi in campo sostanzialmente elastico anche per le azioni di verifica dello SLU. Un’affidabilità superiore è richiesta al sistema d’isolamento per il ruolo critico che svolge. 

Tra le indicazioni progettuali specifiche per i ponti con isolamento sismico, vanno evidenziate le seguenti:

  • si possono trascurare gli effetti dell’eccentricità accidentale delle masse, 
  • i giunti di separazione tra le diverse porzioni di impalcato e tra l’impalcato e la sottostruttura devono essere dimensionati in modo da permettere il corretto funzionamento del sistema d’isolamento, senza impedimenti al libero spostamento delle parti isolate. 

Inoltre, la variabilità spaziale del moto del terreno dovrà essere messa in conto secondo quanto specificato per ponti non isolati. 

Per quanto riguarda le proprietà meccaniche del sistema di isolamento e la modellazione di sottostruttura e sovrastruttura vale quanto prescritto per gli edifici. L’analisi statica lineare è ammessa se sono soddisfatte le seguenti condizioni: 

  1. il sistema d’isolamento può essere modellato come lineare, in accordo con le norme; 
  2. il periodo equivalente Tis della costruzione isolata ha un valore compreso fra 3xTbf e 3.0 s (Tbf = periodo della sovrastruttura assunta a base fissa); 
  3. K≥ 800 Kesi (KV = rigidezza verticale del sistema di isolamento, Kesi = rigidezza equivalente orizzontale del sistema di isolamento); 
  4. il periodo in direzione verticale TV =2 √M/KV< 0.1 s; 
  5. nessun isolatore risulta in trazione per l’effetto combinato dell’azione sismica e dei carichi verticali;
  6. il sistema resistente all’azione sismica possiede una configurazione strutturale regolare in pianta. 

Ai precedenti requisiti si aggiungono, per i ponti, i seguenti: 

  • lo schema statico è ad impalcati semplicemente appoggiati, oppure lo schema statico è a impalcati continui con geometria regolare, caratterizzata da: sostanziale rettilineità dell’impalcato, luci uguali, rapporto massimo tra le rigidezze delle pile inferiore a 2, lunghezza totale dell’impalcato continuo inferiore a 150 m; 
  • la massa della metà superiore delle pile è inferiore a 1/5 della massa dell’impalcato; 
  • le pile hanno altezza inferiore a 20 m; 
  • in direzione trasversale la distanza tra il centro di rigidezza del sistema di isolamento e il centro di massa dell’impalcato non è superiore al 5% della dimensione trasversale della sovrastruttura. 

In alternativa va utilizzata l’analisi dinamica, lineare o non lineare, quest’ultima da preferire, ed è obbligatoria, quando il comportamento dei dispositivi non può essere modellato con caratteristiche equivalenti; non può essere utilizzata, invece, l’analisi statica non lineare. 

Per i ponti deve essere condotta, ed è spesso determinante, la verifica dello SLU dei dispositivi di isolamento e/o dissipazione di energia sottoposti alle combinazioni inerenti le azioni variabili orizzontali (come il vento). 

Nel caso di analisi lineare, la domanda sugli elementi strutturali della sovrastruttura e della sottostruttura e sul terreno deve essere valutata considerando un fattore di comportamento q = 1, con le note regole di combinazione. Particolare attenzione deve essere posta per evitare il martellamento tra diverse parti tra loro contigue. 

Per quanto riguarda gli aspetti costruttivi, di manutenzione e sostituibilità, e la fase di collaudo non ci sono prescrizioni aggiuntive rispetto agli edifici. 

Nel seguito, si riportano alcune recenti applicazioni di isolamento sismico e sistemi di dissipazione di energia, prima su ponti di nuova realizzazione, successivamente su ponti esistenti. 

Applicazioni su ponti di nuova realizzazione 

Viadotto PO01 sulla Rho-Monza

Il Viadotto PO01 sulla Rho-Monza è un ponte a travata in acciaio su cinque campate di luci rispettivamente pari a 40, 55, 110, 50 e 50 m, realizzato in tempo record tra marzo e maggio 2017 (Matildi et al. 2014, Matildi et al. 2019, Figure 2-5). L’impalcato, con una larghezza di 29.4 m, è sostenuto da tre travi alte 4 m e interasse di 6.5 m, con travi di spina esterne alle travi. La sezione ha un comportamento a cassone equivalente con vincoli di torsione su una luce di circa 215 m.

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Figura 2. Viadotto Rho-Monza in costruzione (per gentile concessione di MATILDI+PARTNERS e FIP mec).

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Figura 3. Viadotto Rho-Monza: isolatore a scorrimento a singola superficie curva durante le prove di qualifica presso il laboratorio FIP (per gentile concessione di FIP mec).

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Figura 4. Viadotto Rho-Monza: particolare della pila con l'isolatore installato, e dell'impalcato in costruzione (per gentile concessione di MATILDI+PARTNERS e FIP mec).

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Figura 5. Viadotto Rho-Monza: pila e particolare con l'isolatore installato (per gentile concessione di MATILDI+PARTNERS e FIP mec).

La scelta del numero di travi è stata dettata dalle necessità del varo effettuato a spinta con appoggio sulle travi esterne, mentre la campata principale appoggia solo sulla trave centrale.  Sono stati disposti: 

  • sulle pile centrali, un isolatore a scorrimento a singola superficie curva per pila (Raggio = 3100 mm, attrito 2.5%, Spostamento = ±100 mm, Carico verticale allo SLU = 80 MN), 
  • sulle pile esterne, due isolatori a scorrimento a singola superficie curva per pila (Raggio = 3100 mm, attrito 2.5%, spostamento = ±100 mm, Carico verticale allo SLU = 22 MN), 
  • sulle spalle, appoggi multidirezionali a disco elastomerico confinato + guida longitudinale (spostamento = ±100 mm, Carico verticale allo SLU = 12 MN). 

[..] nell'articolo integrale scaricabile in PDF, si riportano numerosi altri esempi di ponti di nuova costruzione

Applicazioni su ponti esistenti 

Viadotti della Salerno-Reggio Calabria 

Tre viadotti della Salerno-Reggio Calabria, posizionati al confine tra Basilicata e Calabria, in una delle aree a maggiore pericolosità sismica, sono stati adeguati mediante isolamento sismico. L’idea iniziale di utilizzare isolatori elastomerici ha lasciato posto all’utilizzo di isolatori a scorrimento con superfici curve, che si è rivelata più conveniente per tutti e tre i viadotti (Matildi et al., 2014). 

Il Viadotto Piano della Menta è composto da due carreggiate separate, ciascuna di sei campate di 32 m di luce, per una lunghezza totale di circa 190 m (Figure 15-17). Ciascun impalcato del viadotto esistente era composto da quattro travi in c.a.p., alte 1.6 m e poste ad interasse di 2.0 m, e soletta di 20 cm, con una larghetta totale di 10 m; le pile, ciascuna composta da una coppia di colonne e una trave cappello, hanno un’altezza massima di 7 m. La scarsa stabilità del pendio ha scoraggiato la costruzione di nuove fondazioni, pertanto si è optato per il consolidamento sia delle fondazioni sia delle pile esistenti. Il nuovo impalcato è composto da due travi a doppio-T poste a interasse di 6 m. Opportuni traversi in corrispondenza delle pile hanno consentito di posizionare gli appoggi in corrispondenza delle colonne delle pile stesse, leggermente sfalsati rispetto alle travi longitudinali. Il mantenimento delle pile esistenti, progettate a suo tempo senza tener conto dell’azione sismica, è stato consentito dall’utilizzo di un sistema di isolamento sismico, composto da 28 isolatori a scorrimento con superfici curve (14 per ciascuna carreggiata). I dispositivi sono caratterizzati da: raggio equivalente di 3.1 m, coefficiente di attrito minimo di 5.5%, massimo spostamento di ±350 mm. Per i 4 isolatori sulle spalle il carico verticale massimo è di 1700 kN, per i 10 sulle pile è di 4300 kN. La rigidezza orizzontale equivalente varia tra 0.7 e 2.26 kN/mm, lo smorzamento equivalente è superiore al 25%; il periodo fondamentale è pari a 2.54 s. 

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Figura 15. Viadotto "Pian della Menta": stato di fatto (per gentile concessione di MATILDI+PARTNERS e FIP mec).

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Figura 16. Viadotto "Pian della Menta": rinforzo delle pile (per gentile concessione di MATILDI+PARTNERS).

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Figura 17. Viadotto "Pian della Menta": isolatori a scorrimento a doppia superficie curva installati (per gentile concessione di MATILDI+PARTNERS e FIP mec).

Il Viadotto Campo del Galdo era composto da unici campate in direzione nord e dodici in direzione sud, con impalcati larghi 10 m composti da quattro travi in c.a.p., alte 1.6 m e poste a interasse di 2.0 m, e soletta di 20 cm; le pile, ciascuna composta da due o tre colonne e una trave cappello, avevano un’altezza massima di 7 m (Figure 18 e 19). Il nuovo viadotto è composto da dodici campate in direzione sud, con luci variabili da 30 a 51 m per una lunghezza totale di 470 m, e undici campate in direzione nord, con luci comprese tra 40 e 58 m per una lunghezza totale di 450 m. L’impalcato, continuo su tutta la lunghezza per entrambe le carreggiate, è largo 12.6 m (14.6 m in prossimità della rampa di accesso) ed è composto da due travi a doppio-T alte 2.2 m. I dispositivi di appoggio sono caratterizzati da: raggio equivalente di 3.1 m, coefficiente di attrito minimo di 5.5%, massimo spostamento di ±350 mm. Per i 10 isolatori sulle spalle il carico verticale massimo è di 2650 kN, per i 38 sulle pile è di 7700 kN. 

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Figura 18. Sezione trasversale del viadotto "Campo del Galdo" (per gentile concessione di MATILDI+PARTNERS).

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Figura 19. Viadotto "Campo del Galdo". Vista della nuova carreggiata sud (per gentile concessione di MATILDI+PARTNERS e FIP mec).

Il Viadotto Casale Civile, al contrario dei precedenti, è di nuova realizzazione, facendo parte di una nuova variante della Salerno-Reggio Calabria (Figure 20 e 21). È composto da nove campate (36 m quelle di estremità, 44 m le altre) di lunghezza totale pari a 380 m. Due travi a doppio-T alte 2 m compongono ciascun impalcato, largo 12.6 m. L’utilizzo dell’isolamento sismico con 40 isolatori a scorrimento con superfici curve ha consentito di contenere la lunghezza dei pali di fondazione. I dispositivi sono caratterizzati da: raggio equivalente di 3.1 m, coefficiente di attrito minimo di 5.5%, massimo spostamento di ±350 mm. Per gli 8 isolatori sulle spalle il carico verticale massimo è di 1700 kN, per 20 sulle pile è di 4300 kN, per 12 isolatori su pile del viadotto sud è di 5000 kN. 

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Figura 20. Il nuovo viadotto "Casale Civile" (per gentile concessione di MATILDI+PARTNERS e FIP mec).

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Figura 21. Viadotto "Casale Civile". Vista dell'intradosso dell'impalcato sugli isolatori a scorrimento a doppia superficie curva (per gentile concessione di MATILDI+PARTNERS e FIP mec).

[..] nell'articolo integrale scaricabile in PDF, si riportano numerosi altri esempi di ponti esistenti