Studio sul comportamento sismico di un ponte in muratura multi campata

I ponti in muratura sono molto diffusi, ma la maggior parte di essi sono stati realizzati secoli fa e non sono stati progettati con esplicita attenzione ai rischi sismici. Nell’articolo sono presentati nuovi approfondimenti sul comportamento sismico dei ponti in muratura. 

In particolare, è stata valutata l’influenza della geometria di diversi elementi strutturali come il materiale di riempimento, il rinfianco e la sezione delle pile sulla capacità sismica. I risultati mostrano le come prestazioni in termini di duttilità, capacità strutturale e rigidezza siano influenzate da questi fattori.


La maggior parte dei ponti in muratura non è stato progettato per resistere all'azione dei terremoti

La realizzazione di nuove infrastrutture resilienti è sicuramente una tematica di notevole attrazione per i progettisti e i gestori delle infrastrutture viarie. Tuttavia, in molte nazioni del mondo, esiste un cospicuo numero di infrastrutture da preservare e mantenere in servizio garantendo la massima efficacia della rete di trasporto di interesse. In particolare, i ponti in muratura sono contraddistinti da una numerosa presenza in Italia come nel resto dell’Europa.

Questa tipologia di ponte, realizzata per la maggior parte a cavallo tra l’Ottocento e il Novecento, soffre di alcune carenze strutturali legate alla loro vetustà, all’aumento dei carichi da traffico e alla mancanza di una adeguata progettazione nei confronti di azioni estreme quali i terremoti gli eventi di piena, gli urti, le esplosioni ecc. L’esigenza di mantenere in servizio le opere d’arte presenti nelle reti di trasporto ha dato origine a una proliferazione di ricerche finalizzate allo sviluppo di procedure numeriche e sperimentali per la determinazione del comportamento statico e dinamico dei ponti in muratura.

Rispetto ai metodi di calcolo utilizzati all’epoca della costruzione dei ponti in muratura “moderni”, la ricerca scientifica ha apportato un notevole progresso nella analisi sperimentale e nella meccanica computazionale applicata a questa tipologia di struttura. In particolare, le analisi numeriche avanzate agli Elementi Finiti e/o agli Elementi Discreti sono in grado di riprodurre dettagliatamente il comportamento deformativo e fessurativo del ponte in muratura soggetto a una qualsiasi azione esterna ad esso applicata.

Tuttavia, questi metodi di analisi richiedono un elevato onere computazionale e non sono di facile utilizzo nella pratica ingegneristica. È nata dunque l’esigenza di sviluppare approcci semplificati che descrivano la risposta strutturale globale e locale del ponte con sufficiente accuratezza e compatibilmente con le tempistiche idonee alla pratica ingegneristica.

L’analisi dei recenti crolli dei ponti in muratura ha evidenziato che la maggior parte di essi è correlata alla presenza di fondazioni superficiali (realizzate da materiale di qualità scadente) che in alcuni casi posso dare origine a dei cedimenti differenziali delle pile (e/o spalle).

Come è illustrato in diversi studi presenti in letteratura, cedimenti di pile e/o spalle sono particolarmente gravosi per i ponti in muratura. In alcuni casi, l’azione sismica è stata la causa del collasso di alcuni ponti in muratura come testimonia il crollo del ponte “Claro Bridge” (Figura 1) collassato nel 2010 durante il terremoto che ha colpito il Cile.

In questo lavoro, attraverso una analisi sismica statica non lineare, viene valutato l’effetto del riempimento, dei rinfianchi, dei timpani nella risposta sismica globale del ponte. Tali elementi, generalmente considerati come massa gravante sul ponte, hanno un effetto significativo sulla capacità, rigidezza e duttilità della struttura.

 


LA PRESENTAZIONE DELLA MEMORIA DA PARTE DI PAOLO ZAMPIERI 

 

Paolo Zampieri, professore a contratto di Tecnica delle Costruzioni all'Università degli Studi di Padova, illustra la memoria presentata in occasione della prima conferenza di Eurostruct - European Association on Quality Control of Bridges and Structures, svoltasi a Padova dal 29 agosto al 1° settembre 2021.

 

A QUESTO LINK LE ALTRE MEMORIE PRESENTATE A EUROSTRUCT


 

Caso studio

Il caso studio analizzato consiste in un ponte ferroviario a sette campate con caratte-ristiche geometriche analoghe a quelle del “Claro River Bridge” in Cile (Figura 1). Come accennato nell’introduzione, il “Claro River Bridge” è collassato a seguito del terremoto di magnitudo 8.8 Mw della costa centrale del Cile del 27 febbraio del 2010.

La particolarità del ponte analizzato consiste nell’essere contraddistinto da delle pile e delle arcate molto snelle che lo rendono particolarmente vulnerabile all’azione sismica.

 

Claro River Bridge” prima del collasso

IMMAGINE 1: Il “Claro River Bridge” prima del collasso

 

Caratteristiche geometriche del ponte oggetto di studio

Il ponte multi-campata oggetto di studio è costituito da sette arcate semi-circolari con luce di 12.5 m, freccia di circa 6.1 m e spessore costante pari a 1 m. Le pile hanno una altezza variabile compresa tra 18.1 m e 9.6 m (come rappresentato un Figura 2) e terminano con un plinto di fondazione di dimensioni 3m x 6.5m x 5m (Figura2). Sulle arcate gravano il peso dei rinfianchi, del materiale di riempimento e dal ballast.

 

Sezione longitudinale del Claro River Bridge

IMMAGINE 2: Sezione longitudinale del ponte

 

Modellazione agli elementi finiti

É stato sviluppato un modello 3D agli elementi finiti nel quale sono stati discretizzati tutti gli elementi (fondazioni, pile, archi, spalle, timpani, rinfianco e riempimento, Figura 3) del ponte che contribuiscono alla resistenza sismica dello stesso. 

Gli elementi che costituiscono la mesh di calcolo del ponte sono discretizzati con elementi solidi con dimensioni medie pari a 0.35m come è illustrato in Figura 3. Tra l’arco e il materiale di riempimento, tra arco e timpano e tra timpano e materiale di riempimento è stato inserito un contatto coesivo-attritivo con superfice di rottura alla Morh-Coulomb.

 

Modello agli elementi finiti del ponte

IMMAGINE 3: Modello agli elementi finiti del ponte

 

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