Valutare la sicurezza in esercizio dei ponti esistenti con impalcati in c.a.p. secondo le NTC2018

In questa prima parte si analizza la procedura definita dalle NTC2018 per valutare la sicurezza di una infrastruttura

Alcune riflessioni se scegliere di demolire o ricostruire 

In Italia vi sono più di 4.000 km di viadotti stradali, la maggioranza dei quali sono in esercizio da più di 30 anni, cioè da quando si progettava ignorando il requisito di “durabilità” che ora consideriamo essenziale quanto quello della “resistenza”. Stime attendibili (P. Mannella “Monitoraggio e Valutazione di Ponti e Viadotti” ENEA-Roma 14/2/2019) indicano che circa il 40% di queste opere hanno impalcati in cemento armato precompresso con cavi post-tesi. Se si considera che all’epoca della loro costruzione la tecnica del precompresso era relativamente “giovane”, essendosi affermata dopo gli anni 50 del secolo scorso, ne consegue che le tecnologie ed i materiali utilizzati non potevano contare su una esperienza consolidata.
Ciò ha riguardato in particolare le iniezioni dei cavi da effettuarsi dopo la loro messa in tensione: la cattiva esecuzione di questa operazione, cruciale per evitare la corrosione dei fili di acciaio armonico, ha creato grossi problemi in tutta Europa, al punto che in Inghilterra per un certo numero di anni la costruzione di questi ponti fu proibita.
Anche in Italia si sono avuti seri problemi, che in alcuni casi hanno portato al crollo di alcune travate.
Ciò impone un accurato controllo di questo tipo di impalcati, a valle del quale spesso si pone una scelta molto impegnativa sia dal punto di vista economico che ambientale: riparare o demolire.
In alcuni casi questa decisione è agevolata da valutazioni più generali: è il caso di quei viadotti in cui la sostituzione di un impalcato in c.a.p. con altro più leggero in acciaio consente di adeguare sismicamente l’opera evitando costosi interventi sulle pile o sulle fondazioni.
Nella maggioranza dei casi, però, la scelta non è così scontata, ma è necessario svolgere una analisi accurata costi/benefici, partendo dai vincoli imposti dalle Norme attuali.
Nel seguito di questo si faranno alcune considerazioni in merito.

Prima Parte - L’approccio delle NTC2018.

Quando è necessario valutare la sicurezza di un’opera d'arte

Le norme NTC2018 [1] (in seguito Norma) al riguardo sono molto chiare; al paragrafo 8.3 elencano le circostanze per le quali è richiesta la verifica di sicurezza di una struttura. Fra queste, le più attinenti nel campo dei ponti esistenti riguardano la presenza di degrado o di dissesti, oltre agli interventi di adeguamento, miglioramento o intervento locale. Molto meno frequenti sono i casi di: errore progettuale, cambio di destinazione d’uso, mancanza di collaudo o, infine, la possibilità che si realizzino interventi non strutturali che possano incidere sulla rigidezza di un ponte. Inoltre la Norma precisa che l’introduzione di varianti normative rispetto ai carichi variabili di natura ambientale (neve, vento, sismici), non determina la necessità di eseguire verifiche di sicurezza. 

La valutazione della sicurezza è un procedimento quantitativo che mira a individuare il livello di sicurezza espresso come rapporto fra Capacità e Domanda. La valutazione della sicurezza interesserà l’intera costruzione. Limitatamente alle sole opere in fondazione, la Norma prevede la possibilità che tale verifica possa essere omessa, ma solo in casi particolari e dietro esplicita assunzione di responsabilità da parte dell’estensore della verifica. 

Altro concetto fondamentale è relativo al fatto che la valutazione della sicurezza può essere eseguita facendo riferimento ai soli Stati Limite Ultimi. Solo nel caso di azioni di origine sismica e solamente per opere di classe IV, sarà necessario portare in conto anche le verifiche agli stati limite di esercizio, definiti al paragrafo 7.3.6.

Non è richiesto di eseguire le verifiche strutturali dell’opera utilizzando le previsioni normative originarie, anche per quanto concerne le sollecitazioni prodotte dai carichi agenti variabili in esercizio. Eventuali errori progettuali a livello di dimensionamento, verrebbero comunque individuati eseguendo le verifiche richieste dalla Norma.

Solo nel caso di impalcati in c.a.p., sarà opportuno controllare, con la massima attenzione, gli effetti delle perdite di tensione, istantanee e differite, nei trefoli, la loro effettiva posizione, protezione e livello di degrado, possibilmente affiancando le analisi con accurati riscontri sperimentali. 

Centralità del percorso di conoscenza

L’aspetto più delicato e importante dell’analisi di un’opera esistente è il percorso di conoscenza che è ben descritto dalla Norma, per cui di seguito se ne dà brevemente cenno, soffermandoci solo sugli aspetti più salienti. 
Fra i passaggi necessari al percorso di conoscenza richiamati dalla Norma vi è :

  • l’Analisi storico – critica, che consiste nel reperimento di tutte le informazioni e la documentazione atta a ricostruire la storia dell’opera d’arte e l’attuale condizione statica, manutentiva, compresi eventuali interventi di consolidamento pregressi e il Degrado riscontrabile (aspetto che merita un approfondimento riportato più avanti);
  • il Rilievo, mirato ad integrare le informazioni desumibili dai disegni del “come costruito”, o definirle ex-novo, al fine di individuare in modo compiuto: la carpenteria, le forme e le dimensioni degli elementi strutturali principali e i dettagli costruttivi;
  • e la Caratterizzazione meccanica dei materiali

Caratterizzazione meccanica dei materiali

Caratterizzazione dei calcestruzzi in opera

La Norma tratta nel dettaglio principalmente gli edifici civili talché, le indicazioni fornite spesso sono difficilmente adattabili al caso dei ponti, per i quali il progettista dovrà fare riferimento a procedure consolidate e opportunamente motivate.

La precedente normativa, NTC2008 [4], nella circolare esplicativa del 2009 [5], ammetteva che per la valutazione della sicurezza dei ponti esistenti potevano non prevedersi indagini specifiche sugli impalcati, purché essi non evidenziassero fenomeni di degrado. Nell’aggiornamento del 2018 questa assunzione non è presente. 
Per la definizione delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo è quindi necessario eseguire una campagna di indagini, con prove distruttive e non distruttive, integrando le informazioni ricavabili dai disegni del “come costruito” e dagli atti di collaudo. Particolare attenzione deve essere rivolta alla necessità di non indebolire troppo la struttura con carotaggi diffusi; a tal scopo è ammesso sostituire parte delle prove distruttive con altri metodi di prova, ma in numero molto maggiore e calibrate sulle prime.

Attenzione ai fattori che influenzano i risultati delle indagini

Tralasciando la descrizione dei mezzi di prova non distruttivi, che esula dalla presente trattazione, sembra utile ai fini pratici accennare ai principali riferimenti normativi che trattano dei fenomeni che incidono sull’attendibilità dei risultati delle prove di schiacciamento su carote

Il riferimento normativo principale, richiamato espressamente dalle NTC2018 [1], è la circolare del CSLLPP denominata “Nuove linee guida per la caratterizzazione del calcestruzzo in opera” del 2017 [3], che evidenzia quali siano i principali fattori che influenzano tali risultati, di seguito elencati:

  1. Rapporto di forma h/d e diametro della carota;
  2. Presenza ferri di armatura;
  3. Posizione rispetto al getto e inclinazione carotaggio;
  4. Essiccazione e umidità di conservazione;
  5. Fattore di disturbo;
  6. Condizioni climatiche durante il getto e l’essicazione (più attinente in fase di collaudo).
Rapporto di forma L/D e diametro della carota 

Le dimensioni dei provini di calcestruzzo influiscono sulla resistenza che si ottiene nella prova di schiacciamento a causa dell’influenza del diametro dell’aggregato. In considerazione di ciò, il valore del diametro da utilizzare nell’estrazione di carote di calcestruzzo è compreso fra 75mm e 150mm. Il valore ideale è pari a 100mm; per carote di diametro differente si rende necessaria l’adozione di coefficienti correttivi, di difficile valutazione. Come è noto, oltre alle dimensioni del provino incide sulla resistenza anche il rapporto di forma tra altezza e diametro del provino. Esistono al riguardo vari studi disponibili in letteratura. Di seguito si riporta la formulazione adottata dalla normativa americana [10], dove si introducono dei coefficienti correttivi Fl/d e Fdia cosi definiti:

Estratto ACI 214.4R-03

Figura 1 Estratto ACI 214.4R-03

Presenza di ferri di armatura

L’estrazione di carote deve essere preceduta da un’accurata indagine pacometrica che permetta di evitare, per quanto possibile, di tagliare i ferri di armatura, per ovvi motivi. Se ciò non fosse possibile, esistono delle formulazioni matematiche che permettono di correggere i risultati ottenuti.
Un utile riferimento normativo in questo caso è il Rapporto Tecnico Concrete Society [11], che propone la seguente formulazione:

formula-ffe.JPG

Dove:

  • ϕr è il diametro del tondino in mm
  • d è il diametro della carota in mm
  • l è la distanza del ferro dalla base più vicina della carota in mm
  • h è l’altezza della carota in mm
Posizione rispetto al getto e inclinazione carotaggio

In accordo con la EN 13791 [12], il valore della resistenza a compressione misurato sulle carote estratte dalla struttura deve tener conto della inclinazione del carotaggio rispetto alla direzione del getto, tramite un coefficiente di correzione, che varia in funzione della posizione del carotaggio.

 correzione per direzione e posizione carotaggio rispetto al getto

Figura 2 Estratto EN13791 [L] – correzione per direzione e posizione carotaggio rispetto al getto

Essiccazione e umidità di conservazione

Le linee guida prevedono che la conservazione ottimale delle carote debba prevedere lo stoccaggio in vasca o in camera di maturazione. Per condizioni di maturazione differenti ci si può riferire alle indicazioni fornite dalla ACI [10] illustrate in Figura 1.

Fattore di disturbo 

Le operazioni di carotaggio hanno varie conseguenze sulle carote estratte. Le linee guida [3] citano espressamente il detensionamento del campione, l’annullamento del confinamento degli aggregati e il deterioramento del legame all’interfaccia legante-aggregato, dovute alle azioni meccaniche del carotiere.
Per tener conto di questi effetti introducono il fattore di disturbo moltiplicativo della resistenza della carota. I valori da utilizzare sono forniti nella seguente tabella in ragione della resistenza della carota estratta; per valori intermedi si effettua l’interpolazione lineare; per valori superiori a 40 MPa il valore di Fd resta costante pari ad 1.

Tabella del fattore di disturbo in funzione della resistenza a compressione delle carote (h/d=1; d=100 mm)

tabella-fattore-di-distrubo.JPG

Tutti questi coefficienti si applicano al singolo risultato della carota.

Condizioni climatiche durante il getto e l’essicazione

Queste circostanze sono più attinenti alla fase di collaudo statico e tecnico amministrativo di un’opera nuova. Nel caso dei ponti esistenti possono risultare utili per interpretare valori anomali risultanti dalle prove di schiacciamento e correlarli a eventuali procedimenti di maturazione accelerata con vapori; per la trattazione di questi aspetti si rimanda alle formulazioni presenti negli Eurocodici e ai numerosi studi presenti in letteratura.

Caratterizzazione degli acciai 

Come noto, l’attenzione rivolta dal normatore alla caratterizzazione in situ dei calcestruzzi non ha riscontro nei riguardi degli acciai annegati nei getti. Ciò è conseguenza delle minori incertezze che si hanno grazie ai controlli sui procedimenti industriali di produzione in stabilimento e sulla provenienza delle forniture della materia prima, applicati diffusamente già dalla seconda metà del secolo scorso.

La Norma prevede infatti che non debbano essere previste prove distruttivenel caso in cui siano disponibili certificati di prova conformi a quanto richiesto dalla normativa dell’epoca di costruzione”. Ciò ha rilevanza soprattutto negli impalcati da ponte, dove l’obbiettivo deve essere quello di preservare per quanto possibile l’integrità strutturale. In questi casi le informazioni disponibili dai disegni di contabilità, del “come costruito” e dagli atti di collaudo possono essere efficacemente integrati con altri dati, come ad esempio quelli desumibili da uno studio redatto dalla Reluis, sulla base di analisi statistiche su un campione di circa 20.000 prove di trazione su barre di armatura ordinaria eseguite a partire dal 1950 presso il laboratorio dell’università di Napoli [Vedi software STIL (v 1.0)]. Questi risultati possono essere utilizzati, prescindendo da indagini distruttive, se è noto il periodo di realizzazione dell’opera, la classe e/o tipologia di acciaio utilizzato, se sono disponibili i certificati di prova originali e se suffragati da prove non distruttive a campione (ad esempio prove di durezza).

Discorso a parte va fatto per gli acciai da precompresso, per i quali, in genere, non si ha la possibilità di eseguire prove in sito e non sono disponibili indagini statistiche così approfondite; per essi si potrà fare riferimento ai valori tensionali dichiarati in sede di progetto e nei certificati originali. 

Prove di carico

In presenza di un degrado significativo e/o in assenza/carenza della documentazione progettuale originaria (cosa molto frequente ad esempio per le opere d’arte della rete stradale ordinaria), potrebbe essere utile caratterizzare la risposta dell’opera d’arte con prove di carico, sia statiche che dinamiche

Entrambe possono risultare utili anche per stimare i livelli di precompressione residua, specialmente se accompagnate da prove di rilascio dei trefoli, controllando eventuali discostamenti del comportamento deformativo da quello teorico associato a sezioni completamente reagenti.
È opportuno che tali prove di carico siano svolte replicando, per quanto possibile, quelle effettuate in sede di collaudo dell’opera, in modo che dal confronto dei risultati possano essere ricavate indicazioni preziose su un eventuale decadimento delle prestazioni attese. Sarebbe utile, almeno per le opere d’arte di una certa importanza (ad esempio quelle con luce maggiore di 20 m), ripetere a distanza di qualche anno le prove di carico cosi concepite e, se necessario, le verifiche di sicurezza. Al riguardo sarebbe auspicabile una chiara indicazione normativa a livello nazionale, che definisca delle scadenze temporali e l’entità dei carichi di prova da utilizzare, in ragione dello stato di conservazione delle opere.

In ogni caso, è da ritenere inutile e potenzialmente dannoso eseguire su ponti esistenti prove di carico utilizzando come parametri di confronto gli stati di sollecitazione massimi previsti per opere nuove. Questo perché l’opera esistente potrebbe, di conseguenza, essere soggetta a livelli di sforzo tali da superare la soglia dell’irreversibilità, precludendone la durabilità.

Le attività di controllo sperimentale dovrebbero prevedere altresì dei programmi di monitoraggio, possibilmente attivi, che possano fornire delle “istantanee” sullo stato di salute dell’opere più significative ed esposte, allertando nel caso in cui si dovessero riscontrare dei comportamenti anomali. Sarebbe auspicabile che ogni intervento di consolidamento strutturale prevedesse un piano di monitoraggio adeguato alla complessità dell’opera e indirizzato sulla base dei dissesti e dei degradi riscontrati. 

Degrado strutturale

Altro aspetto di fondamentale importanza è la valutazione preventiva dello stato di degrado strutturale, da analizzare e quantificare con un dettaglio tanto maggiore quanto maggiore è il livello di conoscenza che si ritiene di aver raggiunto.

Nei viadotti, in particolare, dovranno essere previste ispezioni e controlli sulle pile e sugli impalcati al fine di individuare lo stato di ammaloramento in termini di:

  • Riduzione dello spessore della sezione resistente a causa della perdita di copriferro, in termini di estensione, localizzazione e profondità rispetto alla geometria teorica;
  • Corrosione delle barre di armatura trasversali e longitudinale, individuando un livello di riduzione della sezione resistente nelle zone di ammaloramento.

L’indagine non può limitarsi solo alle evidenze visive, in quanto spesso l’espansione che subisce l’armatura per corrosione in una fase intermedia, pur riducendo l’efficacia dell’aderenza tra calcestruzzo e acciaio, non porta al totale distacco del ricoprimento di calcestruzzo. 

Esempio di danneggiamento dell'intradosso della soletta e della trave per mancanza di pluvialeGli ammaloramenti sono, in genere, correlati ad un non corretto smaltimento delle acque di piattaforma, particolarmente dannose e aggressive perché spesso ricche di cloruri dei sali disgelanti; si riscontrano di frequente sui pulvini e sulle facce delle pile poste lato interno curva di impalcati semplicemente poggiati e all’intradosso dello sbalzo delle solette in prossimità dei pluviali e dei giunti.

Figura 3 Esempio di danneggiamento dell'intradosso della soletta e della trave per mancanza di pluviale

Nel prospetto seguente si propongono, a titolo puramente indicativo, tre possibili configurazioni di degrado, con associate delle assunzioni prudenziali da attuare in sede di verifica delle sezioni delle pile.

pile-ponti-ca-esempi-degrado.JPG

Particolare attenzione deve essere posta nei confronti dello stato di conservazione dell’acciaio dei cavi di precompressione. Iniezioni di malta eseguite in modo non corretto durante la costruzione, possono aver portato alla formazione di bolle d’aria all’interno della guaina, che a loro volta possono aver favorito la corrosione dei trefoli o dei fili. 

In tal caso la perdita di capacità portante della sezione è particolarmente pericolosa, perché potrebbe dar luogo ad una rottura fragile. 

particolare-armatura-degradata-e-non.JPG

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