Adeguamento statico, sismico e funzionale di ponti esistenti: alcuni casi studio di ponti in c.a., acciaio e muratura

Dalla valutazione dello stato di consistenza di un ponte esistente alla scelta degli interventi: alcuni casi studio su tipologie ricorrenti di ponti in calcestruzzo armato, acciaio e muratura

Il patrimonio di ponti stradali esistenti in Italia e nella maggior parte dei paesi europei denota carenze per quanto riguarda sia la sicurezza strutturale sia l’adeguatezza funzionale nei confronti dei requisiti imposti dalla normativa vigente, dei fabbisogni dei sistemi di trasporti e delle esigenze di ridurre i costi di manutenzione. Individuare un approccio metodologico per la valutazione e l’adeguamento di strutture esistenti è essenziale dal momento che gli interventi su strutture esistenti richiedono un approccio sostanzialmente differente dal progetto di nuove strutture, e presuppongono conoscenze che spesso vanno anche al di là dei contenuti e dello scopo delle norme tecniche. Vengono illustrate le tecniche consuete di consolidamento ed adeguamento per ponti in calcestruzzo armato, in acciaio e in muratura, in relazione a casi reali significativi, dove si erano manifestate carenze tipiche di queste strutture, rendendo la descrizione degli interventi di restauro significativa anche per considerazioni di carattere generale. Gli interventi di consolidamento statico e sismico illustrati sono solitamente accompagnati dall’adeguamento funzionale, ed evidenziano un approccio metodologico che tiene in considerazione le caratteristiche tipologiche della struttura, il suo stato di conservazione, le prestazioni funzionali richieste e gli aspetti di sostenibilità ambientale dell’intervento.

INTRODUZIONE
Negli ultimi decenni, la valutazione della sicurezza statica e sismica di ponti esistenti è diventato un problema rilevante per gli enti proprietari o gestori. Un numero considerevole di ponti in servizio denotano infatti carenze geometriche, strutturali e funzionali, in ragione del fatto che erano stati progettati per condizioni di servizio rese negli anni superate ed inadeguati da requisiti prestazionali sempre più gravosi, in termini sia di volume di traffico sia di sicurezza strutturale. Il numero sempre più elevato di veicoli transitanti, i maggiori carichi nominali per asse, la velocità crescente dei mezzi ed i conseguenti effetti dinamici sono in effetti recepiti nelle normative tecniche vigenti per ponti stradali e ferroviari. Gli effetti e l’avanzare del degrado inoltre contribuiscono a compromettere l’efficienza di tutti i componenti di qualsiasi tipologia di ponte esistente.
I ponti esistenti richiederebbero interventi volti da un lato all’allargamento della sede stradale ed alla separazione e protezione di differenti corsie di traffico, per garantire la sicurezza degli utenti, e dall’altro misure per contrastare diversi fenomeni di “danneggiamento strutturale”. Questi processi sono amplificati, ed a loro volta amplificano, il degrado collegato agli agenti atmosferici (chimici o fisici), in un contesto di procedure di manutenzione ordinaria e straordinaria lacunose o del tutto assenti. Un tale quadro si complica ulteriormente in Italia, dove alle già citate fragilità che affliggono le strutture esistenti si aggiunge anche la vulnerabilità nei confronti delle azioni sismiche. Solo nel corso degli ultimi anni infatti (a partire dall’Ordinanza della Presidenza del Consiglio dei Ministri n. 3274 del 2003) si è preso atto che il territorio nazionale è soggetto ad un significativo, ove non addirittura elevato, rischio sismico, e la conseguenza di questo è che in molti casi i ponti sono molto vulnerabili nei confronti delle azioni sismiche perchè sono stati progettati e costruiti ignorando del tutto le specifiche di progetto della sismica. Ciò che rende questa situazione particolarmente impegnativa è il fatto che le normative nazionali degli ultimi anni rendono obbligatorio procedere alle verifiche di vulnerabilità sismica, e conseguentemente progettare adeguati interventi di adeguamento, per le strutture strategiche ai fini della protezione civile, quali possono essere tipicamente considerati i ponti (Modena et al., 2004). In ragione di questa situazione, mantenere una rete di trasporti in piena efficienza sta diventando per gli enti pubblici gestori un impegno sempre più difficile da sostenere, soprattutto considerando che spesso non hanno a disposizione risorse sufficienti per affrontare e risolvere il problema nei tempi richiesti. Il rinforzo può rivelarsi spesso un’alternativa conveniente alla sostituzione dei vecchi manufatti stradali, in particolare se nella valutazione costi-benefici vengono a pesare anche i costi sociali ed indiretti derivanti alla rete stradale dalla chiusura delle strade interessate. Gli ingegneri strutturisti sono perciò sempre più spesso chiamati ad escogitare soluzioni per prolungare la vita dei ponti esistenti, ed al contempo a confrontarsi con esigenze di contenimento dei costi d’intervento.
Individuare dei principi per la valutazione e l’adeguamento di strutture esistenti è essenziale dal momento che il consolidamento e l’adeguamento sismico richiedono un approccio sostanzialmente differente dal progetto di nuove strutture, e presuppongono conoscenze che vanno al di là dello scopo delle norme tecniche. Il fine ultimo è limitare gli interventi sulla struttura esistente allo stretto indispensabile, obiettivo questo in sintonia con i principi di uno sviluppo sostenibile, e con le linee guida dei codici normativi dove sono vigenti queste prescrizioni (BD 79/06, The management of sub-standard Highway Structures, 2006).

In questo contesto, dal punto di vista dell’ingegneria strutturale è fondamentale:
• definire procedure di valutazione adeguate ed affidabili, in grado di riconoscere per ogni tipologia di struttura le specifiche cause di vulnerabilità e di correlarle ai corrispondenti interventi. Questa è la base sia per le inevitabili procedure di classificazione, utili a definire gli interventi prioritari e ad ottimizzare l’impiego di risorse limitate, sia per le strategie di progetto che possano realmente soddisfare il già citato scopo di “escogitare soluzioni per prolungare la vita dei ponti esistenti, ed al contempo confrontarsi con esigenze di contenimento dei costi d’intervento”;
• Affrontare il progetto di “consolidamento-adeguamento sismico-riqualificazione funzionale” dei ponti esistenti con un approccio globale e completo, mirando a prendersi cura di tutte le carenze, cercando di sfruttare il più possibile a questo fine il progetto strutturale originario e le peculiarità costruttive adottate per la struttura esistente.

La valutazione dello stato di consistenza di un ponte esistente richiede un approccio articolato che riguarda più aspetti. Può essere descritto come un processo razionale consistente in una fase di conoscenza preliminare ed in una conseguente fase di analisi (Fig. 1). Le due fasi di valutazione sono concettualmente legate e non rappresentano un processo a senso unico. Il controllo ripetuto di quanto emerso dalla fase di conoscenza deve infatti avere un ritorno sui risultati dell’analisi strutturale.

Figura 1 - Diagramma di flusso della metodologia proposta per la valutazione e gli interventi di adeguamento: 1. Fase di Conoscenza, 2. Fase di Analisi, 3. Fase di Progetto degli interventi di adeguamento.

La conoscenza dettagliata della struttura può prevedere sia l’uso di procedure standard (quali ad esempio prove in situ ed in laboratorio, grazie alle quali ottenere la caratterizzazione dei materiali ed un indice dei principali fenomeni di degrado) sia il ricorso a mezzi meno convenzionali (monitoraggio strutturale e tecniche di identificazione dinamica).

La conseguente scelta dell’intervento più adeguato (3-Fase di progetto dell’intervento di adeguamento) in termini di materiali e tecniche da applicare, dipende perciò da svariati fattori, dei quali i principali sono il sistema strutturale della struttura in esame (ad esempio impalcato a travata continua o su semplice appoggio, ponti ad arco, etc.), le caratteristiche dei componenti strutturali (impalcato, pile, spalle, dispositivi d’appoggio, etc.), il tipo dei carichi di servizio (statici, dinamici), ed anche aspetti correlati alla durabilità e compatibilità dei materiali, come pure fattori non strettamente strutturali come i requisiti funzionali, la resa estetica della soluzione e la sostenibilità degli interventi.

Nel seguito vengono illustrati i principali processi di degrado e le tipiche carenze dei progetti originari per le più comuni tipologie di ponti stradali: ponti in calcestruzzo armato normale e precompresso, a travata o ad arco, ponti a trave in acciaio e a struttura mista, e ponti ad arco in muratura. Vengono analizzati I corrispondenti interventi per il recupero della struttura esistente e quindi illustrate possibili tecniche di intervento per il consolidamento statico e l’adeguamento sismico, fornendo vari esempi di applicazione piuttosto che concentrarsi su aspetti generali in maniera approfondita.
Si mostra infine come l’intervento di adeguamento si accompagni in genere alla riqualificazione funzionale, per soddisfare i requisiti di sicurezza e comfort d’utilizzo. La soluzione progettuale finale viene presentata sottolineando l’approccio metodologico, che tiene in considerazione le caratteristiche tipologiche della struttura, il suo stato di manutenzione, i requisiti funzionali e gli aspetti ambientali legati ai sistemi di restauro e rinforzo.

ADEGUAMENTO E RIQUALIFICAZIONE DI TIPOLOGIE RICORRENTI DI PONTI IN CALCESTRUZZO ARMATO
Fenomeni di degrado
I fenomeni di deterioramento che affliggono i ponti in calcestruzzo armato sono causati dagli agenti atmosferici, le cui conseguenze sono nella maggior parte dei casi amplificate nel tempo dalla carenza di manutenzione. Le azioni ambientali possono essere suddivise in processi di degrado chimico, fisico e biologico (SB-ICA, 2007):
• le azioni fisiche sono tipicamente gli effetti dei cicli di gelo e disgelo, le infiltrazioni d’acqua, le variazioni termiche, le vibrazioni ambientali;
• le azioni chimiche nei ponti sono la carbonatazione (il biossido di carbonio, presente nell’atmosfera, penetra nel calcestruzzo e reagisce con gli idrossidi a formare carbonato di calcio ed acqua), la corrosione (ossidazione del metallo delle barre d’armatura con conseguente espulsione del copriferro), l’azione dei sali, la reazione alcali-silicati, l’attacco dei solfati.
• il degrado biologico è dovuto all’accumulo di sporco e rifiuti ed all’attività di organismi viventi.

Degrado del calcestruzzo dovuto all’infiltrazione di acqua
Fra le azioni fisiche, in aggiunta ai danneggiamenti accidentali per urti ed alle fessure causate dalle dilatazioni termiche, i cicli di gelo e disgelo rappresentano una delle cause più comuni di degrado per gli elementi di calcestruzzo esposti alle intemperie. Questo si può verificarsi quando il calcestruzzo ha un’insufficiente distribuzione e grandezza dei pori. In combinazione con una saturazione d’acqua critica (>91%) il congelamento dell’acqua ed il conseguente aumento di volume causa il degrado del calcestruzzo. Sintomi del degrado sono un progredire dell’esfoliazione della superficie del calcestruzzo, distacchi localizzati o micro-fessure e, nelle fasi più avanzate, riduzione della resistenza del calcestruzzo. In generale il calcestruzzo caratterizzato da un basso rapporto acqua/cemento denota una più elevata resistenza al gelo rispetto al calcestruzzo con rapporto a/c elevato. Una resistenza adeguata ai cicli di gelo e disgelo è garantita se il contenuto d’aria è prossimo al 4% del volume d’impasto e se le cavità d’aria sono ben distribuite.

Fessurazione ed espulsione del copriferro a causa della carbonatazione e dell’ossidazione delle barre
La fessurazione e l’espulsione del copriferro, unite all’ossidazione delle barre, costituiscono il processo di degrado che affligge la maggior parte degli elementi dei ponti in calcestruzzo armato, anche quando sono esposti a condizioni ambientali non aggressive. La natura alcalina e la densità del calcestruzzo rappresentano una barriera chimica e fisica nei confronti dell’attacco della corrosione sulle barre d’armatura. La durabilità delle strutture in calcestruzzo dipende dalla protezione che il copriferro garantisce alle armature nei confronti della penetrazione di cloruri, acqua ed ossigeno, che sono alcuni degli ingredienti essenziali affinché si instauri il processo di corrosione dell’acciaio delle armature. In particolare, il processo di carbonatazione superficiale, laddove il copriferro ha spessore limitato, apre la strada alla corrosione, causata da acqua e ossigeno. La corrosione è associata alla formazione di ossido di ferro, comunemente indicato con il nome di ruggine. Il volume di questi ossidi di ferro è decisamente maggiore di quello della barra originale. L’espansione di volume delle barre corrose genera sforzi di trazione nel calcestruzzo intorno alle barre, causando lo sviluppo di fessure longitudinali e la conseguente espulsione del copriferro.

Carenze del progetto originale e difetti in fase di realizzazione
Molte carenze presentate dai ponti in calcestruzzo esistenti sono la conseguenza della mancanza di prescrizioni volte alla durabilità in fase di progetto e di pochi controlli di qualità in fase di realizzazione, con il risultato del degrado delle prestazioni della struttura.

Le più comuni carenze progettuali relative agli elementi della sovrastruttura possono essere così riassunte:
• copriferro insufficiente: questa carenza è diffusa fra I vari ponti in calcestruzzo esistenti. Uno spessore insufficiente del ricoprimento delle barre non garantisce abbastanza protezione nei confronti della penetrazione della carbonatazione, e la corrosione riduce la sezione effettiva delle barre d’armatura;
• calcestruzzo di qualità scadente: compattazione insufficiente, stagionatura poco curata, eccessiva porosità, uso di ingredienti non adeguati nella miscela (aggregate, additive, acqua). Il ricorrente impiego nei ponti esistenti di calcestruzzo poroso, dovuto a rapporti a/c elevati (per effetto di mancanza di controllo in cantiere), ha causato nel corso degli anni l’accelerazione dei fenomeni di carbonatazione. Un aspetto correlato, che può causare effetti di corrosione nei cavi post-tesi, è costituito dalla insufficiente iniezione di malta nelle guaine dei cavi post-tesi;
• carenze normative nel progetto dell’armatura: è una mancanza generalizzata dei progetti, causata da prescrizioni insufficienti in relazione all’adozione di fattori di sovra resistenza (e di regole sui dettagli costruttivi) che possano tenere conto degli effetti di amplificazione dinamica, di possibili incrementi dei carichi mobili, delle coazioni da ritiro e deformazioni termiche. Questo porta spesso a confinamento insufficiente degli elementi e a inadeguata armatura a taglio. Questa carenza agisce solitamente assieme al prossimo effetto;
• sottodimensionamento degli elementi secondari nei confronti degli effettivi carichi da traffico, in termini di spessore, rigidezza, barre d’armatura. In particolare gli elementi secondari come le solette d’impalcato ed I traversi in calcestruzzo armato, che hanno la funzione di ridistribuire I carichi puntuali e trasferire le azioni interne alla struttura principale, risultano spesso sottodimensionate. Questo è generalmente causato da una sottostima degli effettivi carichi da traffico agenti sulla struttura, carichi la cui entità è destinata a crescere nel corso della vita di servizio. Le conseguenze sono fessure da taglio e da flessione e deformazioni eccessive, che il più delle volte possono essere facilmente rilevate con una semplice ispezione visiva;
• debolezza dei dettagli costruttivi: questa è strettamente connessa alla mancanza nel progetto originario di regole e prescrizioni volte alla durabilità. Le connessioni strutturali ed i nodi sono spesso gli elementi più esposti agli agenti atmosferici, senza alcuna protezione, e spesso rappresentano il punto di partenza dei processi di degrado. Dettagli quali le selle nelle travate Gerber, gli ancoraggi dei tiranti nelle strutture ad arco, le strutture di servizio quali le solette di transizione spesso presentano dettagli poco curati nel progetto delle armature, con insufficiente lunghezza di sovrapposizione o ancoraggio, mentre spesso sono state adottate soluzioni approssimative per i getti in opera durante la fase di costruzione, senza garantire il copriferro minimo richiesto;
• appoggi inefficienti o del tutto assenti: in molti ponti esistenti gli appoggi sono inefficaci (ad esempio appoggi unidirezionali o multidirezionali in acciaio interessati da fenomeni di corrosione, cuscinetti in neoprene o gomma armata che non riescono a garantire le deformazioni termiche o le rotazioni per i carichi statici, o talvolta completamente assenti, laddove le travi principali poggiano direttamente sulla sommità delle pile o delle spalle, senza alcun dispositivo d’appoggio;
• giunti di dilatazione con problemi di durabilità: i giunti di dilatazione spesso sono del tutto assenti nei ponti esistenti, o ormai inefficaci e danneggiati a causa di poca manutenzione e di effetti dinamici legati al traffico veicolare. I giunti di dilatazione sono esposti agli agenti atmosferici, e l’acqua che li attraversa rappresenta la causa principale di degrado per gli elementi in calcestruzzo armato.
• inadeguatezza del sistema di impermeabilizzazione e di raccolta e smaltimento delle acque meteoriche: il controllo poco efficiente delle acque di piattaforma è la maggior causa di degrado degli elementi in calcestruzzo nei ponti dove è previsto l’impiego di sali disgelanti.
• mancanza di specifiche di progettazione sismica: le regole per la progettazione dei ponti nei confronti delle azioni sismiche sono state adottate solo da pochi anni dalla normativa tecnica italiana (ma più in generale anche in altre zone sismiche d’Europa, Modena et al., 2004). Per questo motivo i ponti esistenti manifestano una resistenza di pile e spalle inadeguata nei confronti delle azioni orizzontali dovute all’azione sismica, in particolar modo per le carenze delle armature a taglio, dei dettagli atti a garantire la duttilità delle sezioni e della capacità portante delle fondazioni. Anche i dispositivi d’appoggio si dimostrano spesso inadeguati nel trasferire i carichi inerziali dall’impalcato alla sottostruttura.

Oltre alle carenze progettuali che si possono ripercuotere sull’impalcato e sulle strutture dell’elevazione, è necessario prendere in considerazione quelle relative al sistema di fondazioni, che possono così essere sintetizzate:

• inadeguatezza statica per effetto di una riduzione di capacità portante e/o per un incremento dei carichi;
• cedimenti differenziali;
• fenomeni di scalamento alla base delle fondazioni:

Figura 2 Ponte di Zevio, stato prima dei lavori: pianta e sezione delle fondazioni a cassone esistenti.

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