I ponti stradali del terzo millennio, strutture a "qualità totale"

Si tratta della sintesi di una conferenza tenuta nel 2001 in occasione del quinto Congresso Mondiale sugli accessori dei ponti. Aveva origine  dall’International Joints and Bearings Research Council (IJBRC) dell’ American Concrete Institute, che aveva tenuto i suoi 4 precedenti  convegni sui dispositivi strutturali dei ponti nel Nord America. 

Nell’Ottobre 2001, invece il V Convegno è stato tenuto per la prima volta in Europa, in Italia. L’IJBRC aveva chiesto la collaborazione dell’ ACEDIS (l’Associazione Italiana del produttori dei Dispositivi Strutturali) per organizzare l’evento. 

Era dedicato ai ponti che avevano avuto in Italia un decennio di sviluppi tumultuosi sia nelle costruzioni che nelle manutenzioni, per le quali il retrofitting antisismico era stato applicato scientificamente alla ricerca del sistema perfetto, flessibile, elastoplastico e reversibile dopo il terremoto, per opera  per tratte complete, in modo da avere risposte omogenee, senza interruzioni di servizio in caso di terremoti con periodi di ritorno centenari.

In  questa ricerca leader indiscussa era stata la Società autostrade dell’ IRI -Fintecna, che aveva guidato prima il retrofitting migliorativo nel senso indicato, della autostrada Napoli Bari, colpita, ma funzionante senza gravi danni dal sisma dell’Irpinia e poi aveva realizzato un’autostrada completamente antisismica con indicazioni progettuali omogenee nel Tratto Carna Tarvisio dell’autostrada Udine Tarvisio costruita dopo il sisma friulano. 

Centinaia di ponti avevano ricevuto negli anni i trattamenti antisismici a seguito delle indicazioni messe a punto e nell’ambito della manutenzione migliorativa. Già nel settore delle manutenzioni preventive e migliorative, infatti, “autostrade spa” aveva definito le regole della “Terotecnologia stradale” - la manutenzione scientifica, confluite nelle Istruzioni normative nazionali del CNR ed alla base delle nuove Convenzioni d Concessione dello Stato.

Queste ultime, in previsione della cessione ai privati della rete IRI avevano indicato negli indicatori di Qualità misurata sulla rete il dato numerico misurabile che avrebbe regolato l’andamento nel tempo, in aumento o in diminuzione, dei pedaggi. 

Gli indicatori Qi erano numerici e derivavano da parametri strutturali ed organizzativi rilevati sulla strada. 

I parametri previsti erano 14, erano migliorabili con le manutenzioni del tipo ricordato: uno di essi era correlato all’affidabilità strutturale dei ponti; a blocchi di 4 per volta avrebbero dovuto essere migliorati e poi sostituiti con altri, per ottenere progressivamente una rete autostradale a pedaggio sempre ai massimi livelli di affidabilità. 

L’Ing. Gabriele Camomilla, responsabile dal 1982 del settore delle manutenzioni innovative di autostrade spa era stato invitato a sintetizzare il cammino percorso in Italia, specialmente per i dispositivi antisismici italiani che in quel periodo si stavano diffondendo in tutto il mondo per la loro modernità ed efficacia e tratteggiare come stava cambiando la gestione delle progettazioni e della manutenzione migliorative verso quello che veniva definito il ponte a qualità totale.

Qui si riporta una sintesi della sua Relazione ad Invito: era l'11 ottobre 2001, venti anni fa.

Il ponte a Qualità Totale ipotizzato non fu più realizzato ed anche la manutenzione preventiva con sicurezza e senza fastidio per gli utilizzatori delle autostrade una volta definiti “clienti” è stata abbandonata e sostituita da un controllo centrale del Ministero delle Infrastrutture nelle nuove Convenzioni di Concessione volute nel 2007.

Il ponte a qualità totale - un concetto nuovo

Per gli antichi romani, grandi costruttori di strade, il “Pons” è la via per eccellenza, quella che per i greci era il mare, che infatti esprimevano la stessa parola; la radice della parola è indeuropea, nella scrittura arcaica PENTH, diffusa anche nei paesi indo iranici, armeni, baltici e slavi con lo stesso significato. 

Il ponte è sempre stato quindi l’espressione più emblematica della strada, la parte di quel complesso armonico che la costituisce, che più colpisce la fantasia e l’attenzione di un osservatore esterno. Insieme con la galleria rappresenta la soluzione tecnica dei problemi di collegamento e di continuità del territorio, specialmente quando questo si fa complesso o per morfologia del terreno o per la frequenza ed intensità dei traffici di diversa modalità.

FIG. 1a: Il concetto antico del ponte

Nato per superare ostacoli altrimenti invalicabili, come corsi d’acqua o valli e profonde incisioni nelle rocce, il ponte si è via via sviluppato, prima per le ferrovie e poi per le autostrade, per mantenere, su qualsiasi territorio, la regolarità geometrica dell’asse dell’ infrastruttura entro limiti prefissati.

Tecnicamente ed esteticamente mirabile nelle costruzioni romane e delle epoche successive (si pensi ai ponti del Rinascimento), ha raggiunto risultati eccezionali negli ultimi due secoli, valicando fiumi, mari, zone impervie e tumultuose metropoli, utilizzando tutti i materiali disponibili, le tecniche di calcolo e di costruzione più avanzate, tanto da diventare una realizzazione ad alto livello tecnologico, normalmente pianificabile per ogni suo elemento e per ogni periodo della sua costruzione e del suo uso. 

Ma questa sua meravigliosa funzionalità e bellezza non è sempre presente e non è sempre condivisa da tutti, specialmente oggi che i ponti sono diventati una realtà diffusa e molto usata generando quindi attività dirette o indirette che turbano la vita dei territori attraversati ed anche quella di chi li usa.

FIG. 1b: L'evoluzione della percezione del ponte

È quindi necessario aggiungere qualcosa di più alle loro caratteristiche, qualcosa faccia raggiungere loro la perfezione dell’approvazione di tutti o di gran parte della popolazione: avere i ponti a qualità totale.

Per descrivere quindi i ponti del terzo millennio. Non parleremo necessariamente di opere arditissime o di alta complessità, che non stupiscono quasi o più l’uomo dei nostri tempi, ma della “completezza” che le opere del futuro devono avere per essere considerate, a prescindere dalle loro dimensioni, opere dei nostri giorni: durevoli e rispettose dell’ambiente, di massima sicurezza per l’utilizzatore e per la gente che vive nei loro pressi, economiche nella costruzione e nella gestione e funzionali per il loro uso.

Questi ponti “completi” o a “qualità totale” sono oggi possibili, ma non ancora interamente e compiutamente realizzabili ogni volta, in quanto deve divenire patrimonio comune e diffuso il criterio ispiratore che li accomuna e che è quello del minimo costo globale dell’opera.

Minimo costo quindi non solo della costruzione, dell’uso e del mantenimento nel tempo , ma anche nei riguardi dei costi per la collettività legati all’uso ed all’inquinamento del possibile territorio.

Per comprendere meglio quanto affermato ripercorriamo insieme il cammino percorso in Italia per raggiungere la completezza di cui si parla, che è poi lo sviluppo evolutivo delle costruzioni stradali degli ultimi quaranta anni, guidato in particolare modo da quelle autostradali che in Italia, con il sistema della concessione, ha portato al ponte di Qualità Totale non ancora raggiunto compiutamente nella pratica, ma esprimibile come concetto da perseguire utilizzando tutti i mezzi disponibili.

La “Qualità Totale” dei ponti stradali: necessità di regole articolate

Vedremo nel seguito come l’evoluzione dei sistemi di calcolo, dei materiali e delle tecniche costruttive e gestionali rendono possibile il ponte “completo” ma occorre ricordare che per il suo sviluppo pratico, sia delle nuove opere, che nella trasformazione delle opere esistenti (Retrofitting), servono delle regole che indirizzano verso quelle soluzioni di minimo costo globale cioè costruzione ed utilizzazione nel tempo con traffici frequenti ed in tutti i periodi dell’anno, che altrimenti non verrebbero perseguite: il minimo costo globale ha infatti costi di costruzione apparentemente più elevati e richiede preparazione specifica nel committente dell’opera. 

In Italia un primo sforzo è già compiuto con la stesura nel 1990 delle istruzioni del CNR sulla manutenzione delle strade, che hanno una parte specifica dedicata ai ponti. In esse è perfettamente trattato l’aspetto della durevolezza della costruzione e dei criteri di mantenimento che determina scelte precise nelle tipologie e nei materiali delle opere anche nel settore sismico. 

Ad essa si è affiancato .S.A.M.O.A. con la funzione di rendere oggettivi i rilievi che fanno i tecnici sulla condizione delle opere finalizzati ad individuare il momento adatto agli interventi manutentivi preventivi.

FIG. 2: Le norme CNR per la durabilità e la manutenzione - Il manuale .S.A.M.O.A per le sorveglianze

Un altro passo avanti si compirà con l’approvazione della legge quadro sul rumore e con i relativi regolamenti sulle emissioni sonore ammissibili: queste regole costringeranno alla costruzione di strutture da ponte a bassa emissione sonora e quindi faranno decadere soluzioni oggi tollerate, malgrado il loro elevato impatto sull’ambiente (basti pensare ai viadotti con giunti ogni 25-30 m, generatori di rumore impulsivo non sopportabile in zone abitate).

Una terza trasformazione conseguirà dalle regole sulla qualità delle acque di drenaggio superficiale smaltibili dall’opera d’arte, in relazione alle caratteristiche ed ai vincoli del territorio attraversato. 

Queste regole sono per ora contenute nella direttiva CEE 91/271 e presto diverranno operative anche in Italia. Le conseguenze sono descritte in parte della bibliografia.

Questo genere di attenzione sulle acque di drenaggio, da diffondere lungo tutto il nastro stradale, sarà massimo nei ponti, per la maggior rapidità con cui gli agenti inquinanti emessi sul ponte, piuttosto che su altre parti della strada, possono raggiungere il territorio circostante. Ma procediamo con ordine

L’evoluzione nella costruzione dei moderni ponti stradali in Italia 

La prima fase “pionieristica”

Con la parola fase indichiamo la filosofia di base ispiratrice nella progettazione ed uso delle strade a grande traffico; i suoi cambiamenti sono state evoluzioni legate a necessità obbiettive che solo dopo anni di esperienza si sono rivolte verso soluzioni sempre più complete, come vedremo 

Ricorderò brevemente la prima fase pionieristica che è stata un “unicum” che si riferisce al dopo guerra ed agli anni 50. Questo è stato il periodo della ricostruzione delle opere distrutte dalla guerra e della costruzione delle prime grandi arterie nazionali, come l’Autostrada del Sole ed altre autostrade degli anni’60.

Nel primo caso delle ricostruzioni post-belliche, molte scelte risultarono obbligate dalle strutture preesistenti, sopravvissute in parte alle distruzioni.

Nel caso delle autostrade invece l’imperativo guida era la velocità di esecuzione, che ha portato al sistematico impiego dell’appalto concorso: ogni ponte era l’opera che meglio sapeva realizzare l’impresa vincitrice del lavoro, con il suo progettista e questo spiega, sia la grande variabilità delle tipologie usate, che la ridotta attenzione ai problemi del mantenimento nel tempo dell’opera, che era un problema sconosciuto per il costruttore. 

Emblematico è stato il tratto tra Bologna e Firenze dell’autostrada del Sole, dove sono presenti tutte le tipologie note dell’epoca, con l’esclusione dei ponti sospesi e quelli strallati: archi di tutti i tipi, travi appoggiate, telai e tralicci, travate reticolari con i più diversi materiali acciaio, cemento armato, cemento precompresso e loro combinazioni. Il sistema è stato funzionale per la problematica dell’epoca, anche se ha provocato qualche problema nel seguito, per dare alle opere durabilità ed affidabilità, anche sismica, uniformi, necessarie a linee di traffico ad alta frequenza come quelle descritte.

La velocità di esecuzione e l’inesperienza nell’uso di ponti a grande traffico hanno portato al degrado veloce delle opere concepite in questo modo. Una poesia in inglese sintetizza ciò che avvenne 

La reazione proattiva a questi fenomeni fatta sul pionieristico Bologna -Firenze dell’Autostrada del sole  negli anni ’70 ha generato una scienza della riparazione e della manutenzione che si è diffusa rapidamente a tutti i ponti del periodo pionieristico, ma anche su quelli delle fasi successive, generando una vera e propria scuola di terotecnologia stradale.

Le fasi successive

La II fase - I ponti “catena di montaggio”

La successiva fase nella costruzione dei ponti italiani riguarda gli anni ‘60 e parte degli anni ’70 dove ciò che contava era ovviamente la resistenza delle strutture e non la loro durabilità- vedi figura 3.

È il periodo del massimo sviluppo autostradale, con centinaia di chilometri completati in ogni anno: la velocità era ancora importante, ma ad essa è stato aggiunto un altro parametro deleterio.

Si era pervenuti alla decisione di operare non solo velocemente, ma anche “economicamente” e questo allora voleva dire minimo costo di costruzione. La tipologia imperante in questa epoca è la trave appoggiata.

FIG. 3: Le tre fasi dopo la pionieristica Autosole

C’è una piccola variabilità nelle luci (anche se si attestano attorno ai 30-35 m), ma non cambiano i materiali e le tecniche costruttive; la variabilità ricordata per il Bologna Firenze dell’autostrade del Sole è solo un ricordo.

È il periodo della “catena di montaggio” con problematiche di durabilità nel tempo delle opere, con massimi degradi attraverso i giunti non a tenuta e con opere scarsamente rispettose dell’ambiente cioè massima produzione del rumore da traffico, difese antisismiche tradizionali, con blocco dei movimenti a distruzione in caso di sisma, nessun controllo degli scarichi di drenaggio delle acque di pioggia e dei sali di sghiacciamento invernali. 

Occorre ricordare che in questo periodo si sono però avute anche le prime evoluzioni importanti sulle protezioni delle opere: giunti impermeabili, impermeabilizzazioni degli impalcati, primi usi di additivi nei calcestruzzi, miglioramento dei sistemi d’appoggio. I sistemi erano tutti derivati dalle operazioni di manutenzione che anche opere relativamente giovani richiedevano sia le azioni dinamiche di un traffico pesante e continuo sempre più veloce sia per le esigenze di funzionamento per tutti i periodi dell’anno che comportava l’uso massiccio  dei sali di sghiacciamento invernali che aggredivano le armature.

Per i ponti realizzati in questa fase sono state necessarie opere di protezione ed adeguamento. che spesso hanno determinato trasformazioni importanti dell’opera. come la continuità delle solette per l’eliminazione dei giunti intermedi ed i retrofit sismici nelle zone a maggior rischio.

III fase evolutiva - opere durevoli e manutenibili

Nel cammino evolutivo verso la qualità totale questa fase ha assicurato la durabilità e la manutenibilità anche nelle condizioni più estreme come quelle delle autostrade in alta montagna ed in zona sismica - sempre fig.3.

Questo nuovo approccio strategico ha agito sulla progettazione di nuove opere ed anche alla contemporanea trasformazione, con gli interventi manutentivi terotecnologici, di quelle esistenti. Molte di esse, infatti, come già detto, erano state guidate dalla velocità di costruzione ed il minimo costo iniziale senza conoscere le problematiche che l’uso moderno avrebbero generato successivamente.

FIG. 4: Accorgimenti per la durabilità

La trasformazione progettuale di costruzione più significativa in senso moderno scattò con la costruzione dell’autostrada Udine-Tarvisio, dove la scelta delle tipologie già nel progetto non è più quella del minimo costo di costruzione e dove queste scelte sono imposte dall’amministrazione alle imprese costruttrici già nel bando di gara [5 “L’Autostrada dei primati” ].

Sintetizzando, il ponte di questa autostrada (1978) è sempre una trave continua su più appoggi (le luci sono ottimizzate attorno a 40-45 m, ma si hanno travate ininterrotte lunghe fino a 800 m).

La sezione è a cassone triplo con coibenza termica costante in senso trasversale e ridotta mobilità dinamica degli sbalzi, rumore non trasmesso nella parte sottostante dell’opera maggiore rigidezza torsionale). I parapetti sono i primi ad alta sicurezza, rispetto alle soluzioni precedenti, ispirati ai New Jersey americani con variazioni dimensionali e tecniche realizzative che vedremo; i sistemi di appoggio sono separati dai ritegni sismici, che sono a dissipazione di energia con grado di sicurezza omogeneo su tutte le opere. I giunti, ridotti a 2, sono a tenuta stagna e permettono anche i movimenti del sisma.

I calcestruzzi additivati con i primi riduttori d’acqua, sono protetti da verniciature ed hanno impermeabilizzazioni di soletta ad alta efficacia. Le iniezioni di precompressione sono le prime ad alta affidabilità statistica. Il ponte stradale è divenuto ponte “durevole” nel tempo. All’impresa è rimasta qualche libertà nei sistemi di costruzione dell’impalcato ma il risultato finale deve essere unico ed è predefinito.

FIG. 5: Altri accorgimenti per la durabilità

La “rivoluzione” concettuale dell’autostrada della Carnia è continuata nel tempo, fino agli anni ‘90 ed ha contribuito allo sviluppo di una serie di tecniche, di cui diremo brevemente e che sono state usate nelle costruzioni delle più recenti autostrade in Italia negli ultimi anni: 

• L’A26 Genova-Sempione per i tratti Briandrate-Sempione;
• L’Autostrada del Frejus verso la Francia;
• L’Autostrada del Monte Bianco (Aosta-Traforo, ancora in costruzione);
• L’A27 del Cadore, da Vittorio Veneto a Pian di Vedoia.

Come si sono realizzati ponti durevoli

Le scelte strutturali e le tecniche innovative sui materiali in uso in Italia

Quanto riportato in questo paragrafo è ormai di uso diffuso o in fase di valutazione esecutiva nei ponti costruiti o adeguati negli ultimi 15 anni e contribuisce fortemente a quella quota di qualità totale legata alla durabilità ed alla manutenibilità. 

I punti più importanti sintetizzati nella figura 8. Sulla tipologia strutturale prevale la struttura iperstatica, che può avere sezioni trasversali diverse, non tutte equivalenti. Sulle quali non mi dilungherò. Seguono poi le scelte del tipo di materiali da usare  l’acciaio o il precompresso che oggi si ritrovano appaiati avendo il C.A.P. eliminato i noti problemi della loro protezione con l’uso dei cavi inguainati ed ingrassati, anche esterni agli elementi strutturali (vedi figura 11). 

Maggior attenzione dedichiamo quindi ai criteri che li rendano più durevoli eliminando le cause, sempre più conosciute, del loro degrado. Ne riparleremo sinteticamente riferendoci alle differenti parti del ponte, rinviando per maggiori informazioni alle bibliografie specifiche.

FIG.6: Durata – Scelta delle Sezioni – Materiali e loro protezioni

Durabilità dei materiali

In generale per la durabilità sono importanti le protezioni generalizzata fornita dai calcestruzzi, per la loro composizione, ed additivazione presenti quindi in  in ogni parte dell’opera e massimamente nell’impalcato. 

L’uso sistematico degli ormai ben noti additivi super fluidificanti riduttori di acqua ha notevolmente incrementato la durabilità intrinseca dei calcestruzzi. 

È un orgoglio tutto italiano che deriva dalle scoperte del prof. ing. Collepardi portate avanti dalle azioni vulcaniche del compianto ing. Silvio Guella per il loro impiego cominciando dallo storico Rheomac del 1975. Ne parliamo più avanti (Fig. 10)

Questa azione è rivolta alla durabilità del cls con la sua compattezza che blocca gli agenti che lo trasformano. 

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