Durabilità e vita utile delle infrastrutture viarie

Il sistema delle infrastrutture viarie è articolato in vari sottosistemi (strade urbane, extraurbane, intersezioni, opere d’arte, stazionamenti, opere di corredo e finimento, nodi intermodali) che contengono opere classificabili nel sottosistema. Ad esempio, il sottosistema opere d’arte di strade urbane ed extraurbane comprende ponti, viadotti, muri di sostegno, diaframmi, palancolate, gallerie ecc.
Ciascuna opera del sistema, costituita da vari componenti, è realizzata con diverse tipologie di materiali da costruzione, sia naturali che artificiali, non solo tradizionali ma anche innovativi. Per ciascun componente dell’opera è progettualmente definita una funzione con specifici aspetti prestazionali.
Durante l’esercizio le opere hanno una naturale riduzione della prestazione loro delegata, correlabile alla durabilità specifica dei materiali impiegati per realizzarle, alla metodologia di installazione, all’interazione con l’esercizio del sistema in cui sono inserite e ai cicli di fatica a cui sono sottoposte. Per tale motivo, superato un determinato limite temporale, alcuni componenti tecnici raggiungono valori di prestazione che non consentono loro di garantire al pieno l’espletamento corretto delle funzioni richieste, determinando così la fine di vita utile dell’opera.
In ambito nazionale, esistono norme di riferimento per valutare la durabilità dei prodotti da costruzione di specifiche opere. Per alcuni tipi di opere la durabilità è legata alla classe d’uso definita in base al livello di affollamento o all’ interesse strategico.
Il panorama europeo è invece regolato con la Pianificazione della vita utile, tramite cui è possibile giungere a un’ottimale valutazione della vita utile di un elemento strutturale utilizzando campioni di materiali sottoposti a specifici test di invecchiamento precoce.
La progettazione della resistenza a fatica delle opere specifiche del sistema delle infrastrutture viarie utilizzando il relativo quadro normativo e la perdita della capacità portante per fatica nei ponti, richiedono uno studio teorico-sperimentale molto complesso.
La rottura per fatica, ovvero in risposta a carichi ciclici, può arrivare anche per sforzi molto inferiori a quelli di rottura statica, soprattutto quando lo stato di sforzo è variabile ciclicamente nel tempo.
La rottura per fatica avviene in tre fasi:

• formazione della cricca nel punto di massima concentrazione degli sforzi;
• propagazione della cricca;
• rottura.

Tendenzialmente la formazione della cricca è dovuta ad una discontinuità causata da un cambiamento della sezione. La propagazione della cricca può indebolire la sezione resistente al punto che la superfice residua non sia più sufficiente a sopportare il carico massimo applicato, con cedimento di schianto. Il processo innescato per fatica è irreversibile e si manifesta sia sul calcestruzzo che sull’acciaio, sebbene con meccanismi differenti. Le opere meno recenti risentono molto di questo fenomeno, sia perché in uso da molto tempo, sia perché i carichi di esercizio per cui sono state progettate erano certamente inferiori a quelli attuali. La progettazione a fatica può essere effettuata mediante l’applicazione di diversi metodi per la valutazione delle tensioni e del numero di cicli a rottura.
Tali tecniche di indagine sono caratterizzate da un grado di raffinatezza differente a seconda della complessità del dettaglio considerato.

Proprietà dei materiali delle infrastrutture viarie

Le Infrastrutture viarie costituiscono un Sistema, articolato in vari sottosistemi, a cui fanno capo tipologie di opere specifiche (Fig.1).

Le opere del sistema vengono realizzate con vari materiali da costruzione, sia naturali che artificiali, non solo tradizionali ma anche innovativi. A ciascun materiale è richiesto di garantire determinate proprietà e di conservarle nel tempo.
Tali proprietà sono sintetizzabili in:

• meccaniche che riguardano il comportamento del materiale sollecitato da un sistema di forze;
• fisiche che misurano ad esempio il comportamento sotto l'azione della temperatura;
• chimiche che specificano la capacità di conservare le proprie caratteristiche nell'ambiente in cui il materiale opera.

La scelta di un materiale rispetto ad un altro non è mai casuale, poiché i materiali (anche all'interno della stessa famiglia), presentano proprietà molto differenti fra loro, che condizionano sensibilmente la costruzione delle opere.
Inoltre il materiale da adottare non solo dipende dalle sue caratteristiche prestazionali, ma anche dalla sua disponibilità nel luogo di utilizzo, dall'impatto ambientale del materiale stesso, dal suo effetto estetico e dal costo di costruzione.
Alcune proprietà prestazionali dei materiali da costruzione variano in relazione ai cicli di esposizione a:

• gelo e disgelo per calcestruzzi, pietre, marmi, graniti, ecc;
• shock termico;
• nebbia salina per la valutazione della corrosione di elementi metallici;
• cristallizzazione salina, per pietre naturali, calcestruzzi, materiali porosi;
• pioggia su pareti e superfici;
• cicli termici e di umidità;
• fatica.

Un componente tecnico, utilizzato nella costruzione di un’opera delle infrastrutture viarie, subisce nel tempo una naturale riduzione prestazionale correlata:

• alla durata specifica dei materiali impiegati per realizzarlo;
• alla metodologia di installazione;
• all’interazione con il sistema in cui è inserito.

Per tale motivo, superato un determinato limite temporale, il componente tecnico raggiunge valori di prestazione che non gli consentono di garantire al pieno l’espletamento della funzione richiestagli, arrivando così alla sua fine di vita utile.

La capacità di un componente di una infrastruttura di svolgere le funzioni richieste durante un periodo di tempo specificato viene definita durabilità nella vita utile.

Dunque la vita utile coincide con il periodo durante il quale l’elemento tecnico mantiene livelli prestazionali superiori o uguali ai limiti di accettazione.
Nei materiali e componenti di un’opera la capacità di funzionare senza alterazioni prestazionali fino al termine della vita utile, concorre a determinarne la durabilità.

Un componente tecnico di un’opera del sistema di infrastrutture viarie, subisce nel tempo una naturale riduzione prestazionale non solo in correlazione alla durata specifica dei materiali impiegati per realizzarlo, ma anche a fronte della funzione delegata.

Per tale motivo, superato un determinato limite temporale, il componente tecnico raggiunge valori di prestazione che non gli consentono di garantire al pieno l’espletamento della funzione richiestagli, arrivando così alla fine di vita utile.
La durabilità dei materiali assume un ruolo definito negli appalti pubblici.
Infatti l’art. 95, c. 2 (Criteri di aggiudicazione dell’appalto), del Nuovo Codice dei Contratti prevede la possibilità che le Stazioni Appaltanti, nel rispetto dei principi di trasparenza, aggiudichino gli appalti con il criterio dell’Offerta Economicamente Vantaggiosa.

Tale criterio individua il soggetto aggiudicatario seguendo un criterio di comparazione costo/efficacia quale il costo del ciclo di vita. Quindi la vita utile di un sistema o di un materiale costituisce un elemento di valutazione in sede di gara.
I costruttori ed i produttori edili sono generalmente in possesso di molte informazioni riguardo alla Vita Utile dei prodotti edilizi che, rispettivamente, utilizzano e producono.

Tali informazioni sono, però, solo occasionalmente rese pubbliche attraverso schede tecniche di prodotto, documenti informativi in genere, siti web o archivi delle società.

Quando si parla di dati di Vita Utile di una materiale da costruzione occorre precisare che non si fa riferimento semplicemente al valore, espresso in anni, di Vita Utile, ma anche a tutta una serie d’informazioni ad esso complementari, che legittimano la validità e l’affidabilità di un suo utilizzo.
Dunque per Vita Utile si intende il periodo di tempo in cui il materiale mantiene le sue prestazioni e le sue funzionalità, in condizioni di uso normali e con manutenzione adeguata.

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Indice

1. Proprietà dei materiali delle infrastrutture viarie;
2. Il quadro normativo nazionale ed europeo della durabilità;
3. La resistenza a fatica;
4. Progettazione e quadro normativo sulla resistenza a fatica;
5. Perdita di capacità portante per fatica nelle strutture da ponte;
6. Considerazioni finali

Si ringrazia l'ORDINE DEGLI INGEGNERI DI TORINO per la gentile collaborazione