Aggiornamento del modello di un ponte ad arco esistente in calcestruzzo

Il caso studio è un ponte ad arco degli anni '60 in c.a. ma con forti analogie con i ponti di geometria similare in muratura 

L'aggiornamento del modello agli elementi finiti (FE) è una procedura finalizzata a calibrare il modello FE di una struttura per far coincidere i risultati numerici con quelli sperimentali. Introdotta negli anni '80, si rileva particolarmente utile nell'ambito del monitoraggio della salute strutturale ovvero per il rileva- mento dei danni (Ferrer & Worden, 2012).

In questo contesto, il danno può essere identificato sulla base dell'ipotesi che la sua presenza sia associata a una diminuzione della rigidezza di alcuni elementi, con conseguenti modifiche alle caratteristiche modali della struttura.

D’altra parte, l’aggiornamento del modello è utile anche nella progettazione e nell'analisi delle strutture, a prescindere dalla loro natura (aerospaziale, meccanica, civile). In questo caso l'aggiornamento del modello agli elementi finiti comporta la soluzione di un problema di ottimizzazione vincolata, la cui funzione obiettivo è generalmente espressa come la discrepanza tra le grandezze sperimentali e quelle numeri- che, come ad esempio le frequenze naturali e le forme di modo della struttura. I vincoli sono dati dalle condizioni al contorno e da altre limitazioni fisiche ai gradi di libertà coinvolti.

A prescindere dalla tecnica di ottimizzazione, che può rendere il processo più o meno automatico, le tecniche di aggiornamento dei modelli vengono utilizzate insieme alle misure di vibrazioni per determinare caratteristiche non note del sistema strutturale, come la rigidezza dei materiali, i vincoli, ecc. Il modello FE aggiornato che ne risulta può essere utilizzato per ot- tenere previsioni affidabili sul comportamento dinamico della struttura sottoposta a carichi dipendenti dal tempo.

I risultati dell’aggiornamento del modello sono più immediatamente e automaticamente utilizzabili per le verifiche di sicurezza quanto maggiormente il comportamento della struttura resta in campo elastico lineare. In alcuni casi una perfetta ottimizzazione dei parametri geometrici e meccanici del modello sulla base delle misure effettuate è meno importante rispetto alla successiva introduzione, nello stesso modello, di caratteristiche meccaniche che permettono di rappresentarne anche il comportamento non lineare in alcune determinate condizioni di carico, ai fini delle verifiche strutturali.

Il caso studio considerato è un ponte ad arco degli anni 60 costruito in calcestruzzo armato ma con forti analogie con ponti di geometria similare in muratura. Per l’analisi di quest’opera la definizione di un modello più accurato si è resa necessaria per valutare la capacità del ponte nei confronti di sollecitazioni calcolate con modelli di carico da traffico diversi da quelli per cui era stato progettato. L’identificazione dinamica, insieme ai rilievi e alle indagini in situ e in laboratorio, ha permesso di ridurre notevolmente le incertezze sull’opera, nonostante la carenza di informazioni progettuali.

Caso studio

Con riferimento al caso studio, si forniscono alcune informazioni generali e poi si focalizza l’attenzione solo su una parte dell’opera oggetto di studio, non essendo rilevante ai fini della discussione di questo articolo l’estensione dei risultati delle analisi all’intera opera analizzata.

Si considera pertanto il solo viadotto caratterizzato da due archi che poggiano su una pila centrale in c.a. comune ad entrambi e due solette in c.a. che a loro volta poggiano su un rilevato in pietra. La struttura portante principale è costituita dalle arcate in c.a. su cui c’è materiale di riempimento per realizzare il piano percorribile dai mezzi. Tale materiale di riempimento, da una parte, aumenta i carichi permanenti sulle arcate, dall’altra, aiuta a distribuire meglio i carichi da traffico sugli archi e contribuisce a contenere le sollecitazioni taglianti sugli archi. Il riempimento costituito da terreno è confinato da paramenti in pietrame regolare (timpani), dotati al loro volta di dreni diffusi.

Piano delle indagini

Le indagini in sito hanno riguardato: (i) rilievo geometrico degli elementi strutturali; (ii) ispezioni atte a valutare lo stato di degrado dell’opera; (iii) indagini e prove distruttive e non distruttive per il calcestruzzo e l’acciaio da armatura lenta, secondo un piano-prove progettato ad hoc. Inoltre, sono state condotte indagini di tipo dinamico per ridurre le incertezze di modellazione.

In una prima fase è stato effettuato il rilievo geometrico delle strutture e le indagini per approfondire la conoscenza delle parti in cemento armato (i.e., pile, archi e relativi piedi). In una seconda fase sono state effettuate ulteriori prove integrative e saggi di ispezione in modo da appurare le corrette informazioni riguardanti l’estradosso degli archi e l’impalcato, i timpani a chiusura del riempimento sottostante la carreggiata stradale e i piedi degli archi. Si riporta di seguito una sintesi del piano delle prove previste.

Risultati dei rilievi e delle indagini

Per quanto riguarda gli archi e la pila, il rilievo geometrico effettuato mediante laser scanner ha confermato, sostanzialmente, le geometrie della sezione longitudinale dell’arco indicate nella tavola di pro- getto. Vi sono tuttavia alcune differenze dimensionali sostanziali per quanto riguarda la sezione trasversale, in particolare, profondità di arco e pila è circa 8 m, inferiore a quanto indicato nella tavola di progetto (i.e. 9.57m).

Altra differenza sostanziale è la presenza di un cordolo di calcestruzzo che sostiene il sicurvia ad entrambi i lati delle sezioni trasversali e che corre per tutta la lunghezza del ponte. Per quanto riguarda i piedi degli archi, il rilievo indica che quello a destra dell’arco è di forma diversa rispetto a quello della tavola di progetto, ovvero parallelepipedo regolare di altezza 0.70 m.

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La presente memoria è tratta da Italian Concrete Conference - Napoli, 12-15 ottobre 2022
Evento organizzato da aicap e CTE