Vulnerabilità di ponti e viadotti secondo linee guida MIT: influenza del degrado per corrosione delle armature

Tale valutazione sarà effettuata portando in conto l’effetto che il degrado per corrosione delle armature, in funzione dello scenario, ha sulla vulnerabilità sismica.

Caso di studio – Valutazione del viadotto Ponticelli A1 Milano Napoli

L’analisi è eseguita utilizzando il programma di calcolo a elementi finiti Seismostruct. Il programma Seismostruct consente di valutare il comportamento anelastico degli elementi strutturali tramite un approccio a plasticità diffusa e dei dispositivi di appoggio/collegamento mediante link non lineari con legame assegnato secondo il metodo SCN e con riferimento al Manuale AVS2.0.

Posizionamento geografico del viadotto in oggetto.

Valutazione di ponti e viadotti esistenti soggette a degrado per corrosione

Introduzione ai fenomeni di degrado

Il problema della durabilità delle opere in c.a. è quanto mai attuale e spesso correlato al degrado da corrosione. Generalmente tale fenomeno è provocato dall’azione dell’anidride carbonica e/o dalla penetrazione dei cloruri provenienti dall’acqua di mare o dai sali disgelanti. Particolarmente significativo nel caso di infrastrutture ubicate vicino al mare, è associato il fenomeno di corrosione localizzata per pitting delle armature.

Per tale di corrosione, studi scientifici di letteratura hanno definito riduzioni di resistenza e duttilità sezionale fino al 25% a fronte di una esposizione di 70 anni. Il calcestruzzo armato, con il trascorrere del tempo, non è esente dalla perdita delle sue proprietà protettive e, conseguentemente, il film stesso di passività può essere danneggiato per i seguenti motivi:

1. per carbonatazione, che consiste nella neutralizzazione dell’alcalinità del calcestruzzo da parte dell’anidride carbonica proveniente dall’ambiente esterno;
2. per penetrazione di cloruri, quando sulla superficie delle armature viene raggiunto e superato un determinato tenore critico, tale da distruggere, localmente, il film protettivo;
3. per correnti disperse, che interferiscono con le armature passando in alcune parti dal calcestruzzo alle armature e in altre dalle armature al calcestruzzo;
4. Al venir meno delle condizioni di passività, il processo corrosivo delle armature può aver luogo se nel calcestruzzo a contatto con la loro superficie sono presenti ossigeno ed acqua, questi due componenti combinati con il ferro, danno origine ai prodotti di corrosione attraverso un determinato processo elettrochimico.

Tipologie di corrosione delle armature e sviluppo delle fasi di innesco e propagazione della corrosione 

Rappresentazione schematica dello sviluppo della corrosione in strutture in c.a.

Il processo corrosivo delle barre di armature all’interno del calcestruzzo può essere schematizzato secondo il modello di Tuuti et.al, rappresentato in tabella:

Rappresentazione dello sviluppo della corrosione (Tuuti et.al)

LO STUDIO COMPLETO

• Parte I: Classe di attenzione, meccanismi di collasso, modelli di calcolo e metodi di valutazione;
• Parte II: Applicazione del metodo SCN ad un caso di studio. Il viadotto Ponticelli;
• Parte III: Influenza del degrado per corrosione delle armature sulla Vulnerabilità sismica del Viadotto Ponticelli.

Metodi di modellazione e analisi in presenza di degrado per corrosione

La valutazione della capacità portante residua di opere infrastrutturali esistenti soggetti ad azioni di degrado per corrosione non può prescindere dai seguenti aspetti di modellazione, analisi e verifiche:

1. Scelta di elementi finiti non lineari in relazione alla tipologia strutturale, che incorporano nella formulazione meccanica modelli di degrado a corrosione;
2. Individuazione di modelli di degrado per corrosione più appropriati per la struttura oggetto di valutazione, che tengono in conto in maniera semplificata o completa dei fenomeni fisico meccanici presenti in tali condizioni;
3. Metodi di analisi di tipo statico o dinamico in presenza di non linearità meccaniche e geometriche ove necessario;
4. Metodi di verifica per sezioni o elementi con degrado dell’acciaio e calcestruzzo.

La valutazione può essere effettuata con una procedura a due step:

1. Valutazione della capacità portante statica e sismica di strutture in c.a. soggette ad un livello di degrado noto, rilevato tramite indagini.

I parametri del modello di devono poter definire gli indici di degrado relativi:

• Alla riduzione delle sezioni, resistenza e duttilità delle barre in acciaio;
• Alla riduzione della resistenza del calcestruzzo a compressione in condizioni di fessurazione;
• Alla riduzione dell’aderenza all’interfaccia acciaio-calcestruzzo.

La conoscenza della struttura tramite tecniche di rilievo speditivo e avanzato, indagini in sito e di laboratorio, devono permettere di valutare:

• Gli elementi soggetti a degrado per corrosione e le relative condizioni al contorno sui lati esposti;
• La tipologia di azione corrosiva tra uniforme (carbonatazione) o localizzata (Pitting da cloruri);
• La valutazione dell’area delle barre esistenti o perdita di massa corrosa, la resistenza e duttilità dell’acciaio e calcestruzzo in condizioni di degrado;

Le analisi saranno effettuate per scenari di degrado, ci permetteranno di valutare lo stato di sicurezza della struttura nell’intorno dell’istante temporale.

2. Valutazione tramite analisi dinamiche lente sul modello di cui al punto 1: tenendo in conto della variabilità temporale dei parametri che regolano la diffusione degli agenti aggressivi sull’elemento strutturale. Risultato dell’analisi è la stima della capacità portante della struttura ad ogni istante di tempo. La curva di capacità resistente-tempo sarà un utile strumento per la scelta delle tempistiche con cui programmare eventuali interventi di manutenzione (vedi fig.3.1). 

• Tale modello ci permetterà inoltre di valutare gli indici di robustezza strutturale, i possibili meccanismi resistenti che possano attivarsi in condizioni di azioni estreme quale il degrado ai fini di scongiurare il collasso strutturale.

Evoluzione del degrado nel tempo per una trave mista cls-acciaio (Vergani e Biondini-2010)

La tipologia di elementi finiti da utilizzare per la modellazione e l’analisi non lineare di strutture soggette a degrado è funzione della tipologia strutturale, dalla scala del problema (locale o globale) e dall’accuratezza della soluzione. In ogni caso le strategie di modellazione F.E.M. ormai consolidate appartengono alle seguenti categorie (vedi figura.3.2):

• Elementi beam non lineari a plasticità diffusa o concentrata senza non linearità geometrica, con effetti del secondo ordine o di grandi spostamenti/rotazioni;
• Elementi shell non lineari multistrato o a layer nel piano e fuori piano in presenza o meno di non linearità geometriche;
• Elementi brick non lineari con o senza non linearità geometrica o di contatto.
  
  

Strategie di modellazione con elementi finiti non lineari (Martinelli et al.)

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