Adeguamento di ponti in c.a.p. con materiali compositi

La memoria approfondisce le problematiche legate all’impiego di fibre in materiali compositi (FRP) per interventi di adeguamento strutturale di ponti in cemento armato normale o precompresso.

Tra i materiali utilizzati occupano un posto di rilievo i polimeri rinforzati con fibre di carbonio (CFRP) a cui si fa specifico riferimento nella memoria.

Con riferimento ad un viadotto esistente è proposto un intervento di adeguamento attraverso l'uso di strisce in CFRP pretese, valutando l'incremento di resistenza a flessione delle travi longitudinali.

Per le pile a sezione circolare di un impalcato tipo, si illustra inoltre una soluzione di adeguamento sismico utilizzando fasciature con compositi in fibra di carbonio, valutando l'incremento di resistenza a pressoflessione e di duttilità attraverso un'analisi statica non lineare semplificata (push-over).

Articolo presentato in occasione degli Italian Concrete Days 2018 di aicap e CTE

Refurbishment of prestressed concrete bridges with composite materials

Adeguamento di ponti in c.a.p. con materiali compositi 

N. Scibilia¹, G. Cuffaro²

¹ Department DICAM, University of Palermo, Italy

² Freelance Building Systems Engineer

1 INTRODUZIONE 

Il patrimonio di ponti stradali esistenti in Italia denota carenze per quanto riguarda la sicurezza strutturale.

I recenti crolli di impalcati in c.a.p. hanno evidenziato la difficile premonizione delle condizioni critiche. Alcune campate sono crollate dopo pochi giorni dalle ispezioni. Ripetuti trasporti eccezionali con carichi superiori alla portata della struttura sono la principale causa del cedimento del cavalcavia di Annone Brianza, in provincia di Lecco, avvenuto nel 2016, mentre sul cavalcavia transitava un Tir carico di coils.

Altri crolli sono dovuti a difetti esecutivi, ed in particolare alla non corretta o mancata iniezione delle guaine di alloggiamento dei cavi di precompressione (Viadotto Petrulla), e ad urti di veicoli fuori sagoma.

Ulteriori dissesti sono imputabili alle piene dei fiumi e alle azioni sismiche.

Pertanto, emerge la necessità di procedere a sistematici interventi di adeguamento statico e sismico, tra i quali occupano una posizione di rilievo quelli facenti ricorso ai polimeri fibro-rinforzati (FRP - Fiber Reinforced Plastic) ed in particolare a quelli rinforzati con fibre di carbonio (CFRP - Car- bon Fiber Reinforced Plastic) alle quali si fa riferimento nella presente memoria.

Il primo documento sul controllo e sulla riduzione della vulnerabilità sismica dei ponti esistenti venne redatto nel 1983 dal Federal Highway Administration (FHW A), intitolato Retrofitting Guidelines for Highway Bridges” (A TC, 1983).

Ulteriori documenti furono redatti nel 1992 e nel 1995 (Seismic Manual for Highway Structures: Part 1 Bridges).

In Italia un importante riferimento è costituito dalle Linee guida e manuale applicativo per la valutazione della sicurezza sismica e il consolidamento dei ponti esistenti in c.a. emanate da RELUIS nel marzo 2009. La norma tecnica da applicare è costituita dal D.M. 17/01/2018, la quale non contempla in modo specifico l'uso degli FRP.

Tra le tecniche di intervento più efficaci per l'adeguamento delle travi in c.a.p. degli impalcati dei ponti si evidenzia la precompressione esterna, realizzabile sia con cavi in acciaio armonico, sia con strisce in fibre di carbonio. I cavi in acciaio sono stati largamente impiegati con risultati soddisfacenti (El Batanouny, 2015), anche se permane qualche rischio sulla loro durabilità, in relazione alla loro elevata sensibilità alla corrosione.

Pertanto, la ricerca si è rivolta ad applicazioni della precompressione attraverso CFRP pretese. Tra gli studi disponibili in letteratura, quelli di maggiore rilievo sono dovuti a Pellegrino e Modena (2009), Xu et al. (2010), Oudah (2012), Rezazadeh et al. (2015), Aslam et al. (2015) e Zang et al. (2016).

Per gli interventi sulle pile si utilizzano invece avvolgimenti con tessuti applicati anche in più strati secondo le esigenze di resistenza e di duttilità.

Anche in questo campo la ricerca ha mostrato notevole interesse nell’analisi del comportamento in compressione di colonne in calcestruzzo confinato esternamente con FRP (Lam & Teng, 2003, Mich, 2008, Pellegrino & Maiorana, 2009, Pellegrino & Modena, 2010). 

L'utilizzo della pretensione consente di valorizzare il contributo offerto dalla notevole resistenza dei CFRP, che generalmente non può essere sfruttata convenientemente a causa dei fenomeni di de laminazione (Saadatmanesh & Malek, 1998, Häußler- Combe & Hartig, 2007, El Mescki & Harajli, 2014, Spadea et al., 2015).

La sollecitazione di pretensione non supera generalmente il 50% della resistenza del composito e tale indicazione sarà adottata nello sviluppo dei calcoli. Nonostante la notevole massa di contributi scientifici, alcuni dei quali sono riportati in bibliografia, non esistono prescrizioni regolamentari per tali sistemi.

2 TRAVI IN C.A.P. ANALIZZATE

Si considerano travi in c.a.p. a cavi scorrevoli.

Per le travi di impalcato si fa riferimento al viadotto Akragas (Fig.1) realizzato negli anni '70 lungo strada di allacciamento della S.S. 115 alla città di Agrigento, dall'impresa Manfredi S.A., su progetto del prof. ing. Riccardo Morandi. Precedenti studi sul viadotto in esame sono dovuti a Scibilia & Giancontieri (2016).

Le campate hanno luce di 44 m, misurata in asse alle pile e l’impalcato di ciascuna campata si compone di 3 travi longitudinali precompresse a cavi scorrevoli, di 5 trasversi di cui 2 in testata e 3 in campata, disposti in mezzeria ed ai quarti della luce e da una soletta prefabbricata di spessore di 0.20 m, in cemento armato ordinario.

Le travi longitudinali hanno sezione simmetrica a doppio T con altezza in mezzeria di 2.20 m, che si rastrema verso gli appoggi sino ad un'altezza di m 1.82 ed all'estremità assume una sezione trapezia, formando una sella Gerber al di sotto della quale è disposto l'apparecchio di appoggio in neoprene armato.

La luce teorica delle travi longitudinali è di 35.80 m (Fig.2) ed il loro interasse è 3.00 m.

Le travi longitudinali presentano medesime caratteristiche geometriche, ma differenti disposizioni dei cavi di precompressione, i quali sono indicati con la sigla M5 seguita dal numero di trefoli.

Questi sono a 7 fili con diametro nominale di 0.5 pollici. La trave interna è armata con cinque cavi di precompressione, di cui: quattro cavi M5/16 e un cavo M5/8 (Fig.3).

Dei cavi due sono ancorati in campata e due all'estremità; mentre il quinto cavo corre lungo il corrente inferiore.

Le travi esterne sono armate con sei cavi di precompressione, di cui: quattro cavi M5/16 e due cavi di tipo M5/8.

L'ARTICOLO COMPLETO E' DISPONIBILE IN ALLEGATO

KEYWORDS: Prestressed CFRP laminates, flexural strength, ductility. / rinforzo con compositi pretesi in fibre di carbonio, resistenza a flessione, duttilità.

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Nel 2020 si terrà a Napoli la terza edizione degli Italian Concrete Days organizzati da aicap e CTE.

Per saperne di più collegarsi al sito degli ITALIAN CONCRETE DAYS 2020