L’interoperabilità tra calcolo strutturale e geotecnico per lo studio della sicurezza di ponti esistenti

Le complesse problematiche dell'interazione terreno-struttura

In questi ultimi anni la comunità ingegneristica ha manifestato un notevole aumento di interesse per le tematiche di interazione terreno/struttura. Il problema è certamente uno dei più complessi. Nonostante l’incremento esponenziale delle prestazioni dei calcolatori negli ultimi due decenni, a cui ha fatto seguito un incessante sviluppo di metodi numerici, l’interazione dei programmi di analisi strutturale con le problematiche geotecniche rimane limitata: codici di calcolo specialistici per l’ingegneria strutturale restano avulsi dal contesto geotecnico e viceversa. La causa va ricercata nelle potenzialità estremamente specialistiche che un solutore pensato per lo studio di questioni geotecniche deve avere; si pensi ad esempio a tutte le problematiche legate alla gestione dell’acqua, soprattutto in terreni a grana fine; si pensi alla necessità di garantire uno stato di sforzo iniziale a deformazione nulla a simulare la fase geostatica; si consideri infine la complessità che i legami costitutivi per i terreni devono avere per cogliere i molteplici aspetti di questo materiale naturale, non fabbricato dall’uomo e difficilmente investigabile. 

Tuttavia, rimane un punto fondamentale poter inserire l’opera strutturale all’interno del suo contesto geotecnico, soprattutto nei casi di opere completamente o parzialmente immerse nel terreno (gallerie, opere di sostegno, spalle da ponte, ecc…); esiste infatti una mutua e reciproca influenza dello stato tenso-deformativo: la rigidezza (e la resistenza) della fondazione determina la risposta del manufatto che a sua volta influisce con la sua rigidezza sulla risposta della fondazione. 

Spesso i programmi di analisi strutturale ricorrono all’uso di molle elastiche o elasto-plastiche, ma non è una strategia comunque sufficiente a cogliere aspetti tipici dei terreni, quali ad esempio la variazione della rigidezza con lo stato di sovraconsolidazione. 

I software che tramite un approccio “a molle” riescono ad implementare anche questo tipo di comportamento si configurano comunque come riservati all’ambito geotecnico (si pensi ad esempio al programma Paratie Plus sviluppato da Ce.A.S. e dedicato allo studio delle opere di sostegno flessibili).

L'importanza dell'interazione tra i due ambienti di calcolo 

In molti progetti è sempre più richiesta la necessità di sviluppare le analisi sfruttando le massime potenzialità sia lato strutture sia lato geotecnica. 

Da qui emerge la chiara necessità di stabilire un collegamento tra questi due ambienti di calcolo.

La soluzione di seguito presentata consiste nel far interagire due programmi: Midas Gen, strumento indispensabile per l’ingegnere strutturista e Flac 3D, software general purpouse per l’ingegneria geotecnica. Come verrà meglio spiegato nel seguito, l’interazione è possibile grazie alla flessibilità e all’apertura dei due codici di calcolo.

Facendo riferimento ad un caso reale relativo ad un ponte stradale con impalcato costituito da travi in c.a.p., si illustreranno le problematiche principali in essere, i passaggi significativi ed i vantaggi indubbiamente ottenuti.

La struttura in esame immersa nel suo contesto geotecnico

Il caso di un ponte in c.a. con sezione composta da travi a T in c.a.p. su cui poggia una soletta collaborante in c.a.

L’opera d’arte e il modello strutturale

Nel presente articolo si prende in esame un ponte in c.a. con sezione composta da travi a T in c.a.p. su cui poggia una soletta collaborante in c.a..

L’impalcato, ad un’unica campata si innesta su due spalle laterali in c.a. di spessore variabile dai 40 agli 80 cm; esse scaricano le sollecitazioni in parte direttamente contro il terreno di riempimento lungo gli argini ed in parte in fondazione tramite due solette in c.a.,anch’esse di spessore 80 cm.

Il manufatto, risalente agli anni ‘80, è stato scelto come oggetto della presente trattazione in quanto caratterizzato da uno schema e da una tecnica costruttiva abbastanza tipici e di uso comune. Le forme geometriche non troppo complesse, permettono di concentrare l’attenzione sugli aspetti interoperabili, oggetto del presente articolo.

La struttura è stata modellata all’interno del programma di calcolo strutturale Midas Gen, della software house coreana Midas IT. La struttura è stata studiata per mezzo di un’analisi di tipo Construction Stage, in modo da conferire ai singoli componenti uno stato tenso-deformativo figlio delle reali fasi realizzative dell’opera. Anche nel caso di opere esistenti che certamente hanno già scontato tutte le azioni legate alla costruzione dell’opera, può essere importante riuscire a ricostruire la sequenza di fabbricazione.

Nelle seguenti immagini si riportano la sezione trasversale e le fasi costruttive. Dopo un primo step in cui agiscono solo le travi, nel successivo (Fig. 3) la soletta viene gettata ed agisce come un carico distribuito lungo i correnti in c.a.p., dato che non offre ancora rigidezza alla struttura. Dopo che la soletta inizia a collaborare con le travi sottostanti, vi è anche una fase finale in cui si simula l’evoluzione completa dei fenomeni reologici di viscosità e ritiro del calcestruzzo e delle perdite di tensione nei cavi pre-tesi delle travi a T.

Costruzione delle spalle - Posizionamento travi in c.a.p. e irrigidimento soletta in c.a. ed effetti reologici

È stato imposto un vincolo di perfetta continuità tra soletta e correnti in c.a.p.; l’impalcato è in semplice appoggio sulle spalle tramite dei bracci rigidi. Il modello di analisi risulta quindi essere isostatico. Il corretto posizionamento delle travi rispetto alla soletta (Fig. 2) e della porzione di spalle di 40 cm è stato simulato tramite offset sezionali.

I carichi complessivamente agenti sulla struttura sono: peso proprio, permanenti strutturali e non-; inoltre è stato analizzato l’effetto di vento, neve e carichi termici, oltre ovviamente a considerare i carichi da traffico. Questi ultimi sono stati modellati per mezzo di un tool specifico di Midas Gen che, in accordo alla normativa prescelta (in questo caso NTC 2018), alla tipologia di veicolo e alle corsie di traffico, permette di calcolare le relative linee di influenza.Sono state anche definiti dei carichi di frenatura. 

L’interazione col terreno

Il modello così completato in Midas Gen è stato poi trasferito, tramite un tool sviluppato dal BIM Development Center di Harpaceas,nel programma geotecnico Flac 3D, software general purpouse, dedicato alla soluzione di problematiche di qualunque complessità in ambito geotecnico, prodotto dalla software house Itasca.

La realizzazione di questo applicativo è stata possibile grazie, da un lato, alla possibilità offerta dai prodotti Midas di descrivere il modello per mezzo di un file numerico formattato e, dall’altro, grazie al linguaggio di programmazione disponibile in tutti i software sviluppati da Itasca (il linguaggio FISH); inoltre parte del codice è stato ottimizzato lavorando anche in ambiente Python, direttamente accessibile dall’interno di Flac3D.

La procedura prevede che un iniziale “contesto geotecnico” sia preliminarmente preparato direttamente all’interno di Flac 3D. In Fig. 6 è possibile ad esempio vedere lo stato tensionale verticale al termine del consolidamento geostatico. Questo aspetto, apparentemente banale, costituisce una delle principali potenzialità per cui i software geotecnici si distinguono rispetto a quelli propri del calcolo strutturale.

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