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Il modello BIM 3D per la riabilitazione strutturale di ponti e viadotti

Nella riabilitazione e adeguamento delle strutture viarie sospese, il modello BIM svolge un ruolo fondamentale per l’analisi del comportamento e delle sollecitazioni, oltre che per lo studio delle connessioni, dei nodi e degli elementi strutturali.

La riabilitazione strutturale delle infrastrutture viarie sospese esistenti è un tema di grande attualità non solo in Italia. Spesso è possibile eseguire manutenzioni tali da permettere alle strutture esistenti di soddisfare i requisiti di sicurezza richiesti dalle recenti normative, ma l’intervento dipende dal livello di conoscenza che si riesce ad acquisire sui manufatti.

Con questi dati è possibile creare un modello numerico, per analizzare il comportamento delle strutture e determinarne le sollecitazioni, mentre il modello geometrico consente di studiare le connessioni, i nodi e gli elementi strutturali.

In questo articolo, l’ingegnere Francesco Fanigliulo ( Studio di Ingegneria delle Strutture, Cosenza ) condivide la propria esperienza nella riabilitazione di un lungo viadotto dell’Autostrada A2 del Mediterraneo con il supporto del modello BIM 3D creato con Allplan.

 

La proposta progettuale

L’ing. Fanigliulo ha già maturato una lunga esperienza in diversi interventi di ristrutturazione e adeguamento di ponti e viadotti di primaria importanza. Questo articolo tecnico illustra la riabilitazione strutturale di una coppia di viadotti della “A2 del Mediterraneo”, costruiti intorno al 1970, eseguita con adozione di tecniche di rinforzo con CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymers).

Si tratta di un intervento di risanamento dal punto di vista statico e di miglioramento sismico del costo di 16,74 milioni di euro nell’ambito del Programma di finanziamento Connecting Europe Facility (CEF) RELEVANT, volto a garantire il transito dei mezzi ordinari e dei trasporti eccezionali, come richiesto dal Regolamento (UE) 2021/1328 del 10/08/2021 relativo ai requisiti delle infrastrutture di trasporto a uso duale civile/militare.

Il progetto è degno di nota in quanto dimostra una convergenza tra ANAS e mondo professionale, volta al miglioramento continuo delle tecniche e degli strumenti di pianificazione, progettazione ed esecuzione degli interventi finalizzati all’accrescimento del valore funzionale delle opere in esercizio.

Il team tecnico è composto dai seguenti professionisti:

  • Ing. Massimiliano CampanellaANAS S.p.a.
    Dirigente Responsabile – Area Gestione Rete Autostrada del Mediterraneo A2
  • Ing. Francesco Caruso – ANAS S.p.a.
    Responsabile Unico Procedimento – Area Gestione Rete Autostrada del Mediterraneo A2
  • Ing. Giuseppe Cozzolino – ANAS S.p.a.
    Direttore dei Lavori – Area Gestione Rete Autostrada del Mediterraneo A2
  • Ing. Francesco FanigliuloStudio di Ingegneria delle Strutture
    Progettista della proposta progettuale dell’impresa e BIM Manager del progetto
  • Ing. Davide FerraroConsorzio Valori Scarl
    Direttore Tecnico
  • Pontedil S.r.l.
    Impresa Esecutrice dei Lavori

La proposta progettuale è stata promossa dal Consorzio Valori Scarl , appaltatore delle opere, nell’ambito degli interventi denominati “Lavori di manutenzione programmata inerenti ripristini, corticali e profondi, con adeguamento delle sottostrutture, interventi di sostituzione degli appoggi, impalcati e giunti di dilatazione, adeguamento delle barriere di protezione ed interventi di miglioramento simico per i Viadotti FRIDDIZZA NORD e FRIDDIZZA SUD siti nell’Autostrada del Mediterraneo A2 rispettivamente in carreggiata Nord al Km 265+900 e in carreggiata SUD al Km 265+400”.

In base a quanto è stato riscontrato negli studi in sito, l’ingegnere ha deciso di adottare una soluzione progettuale che propone tecniche di intervento innovative in grado di offrire prestazioni strutturali e di durabilità superiori per l’opera.

 

Una tipica coppia di viadotti cinquantenni

I viadotti Friddizza si sviluppano in parallelo su due differenti profili longitudinali e altimetrici.

Il Friddizza Nord è un viadotto costituito da 19 campate, staticamente strutturate in impalcati appoggiati tra spalle e pila, per gli impalcati di estremità, e tra le pile, per gli impalcati interni. Lo schema strutturale per ogni impalcato è quindi quello del grigliato in semplice appoggio.

Il Friddizza Sud è un viadotto costituito da 8 campate, staticamente strutturate in impalcati appoggiati tra spalle e pila, per gli impalcati di estremità, e tra le pile, per gli impalcati interni. Anche per questo viadotto lo schema strutturale è quello del grigliato in semplice appoggio.

Entrambi i viadotti presentano caratteristiche costruttive e geometrie simili, differenziandosi esclusivamente per il numero di campate di ciascun viadotto e per l’altezza delle pile.

Lo schema strutturale induce a eseguire i calcoli sul viadotto più esteso, considerato che le sollecitazioni indotte negli elementi strutturali sono analoghe. Si sono considerate le massime sollecitazioni indotte dai carichi e si è proceduto alle verifiche di sicurezza delle sezioni caratteristiche, avendo cura di verificare la validità delle ipotesi e dei modelli per entrambi in viadotti.

 

Foto dei due viadotti, in primo piano il Friddizza Nord e in secondo piano il Friddizza SUD.
(Ing. Francesco Fanigliulo)

 

Per entrambi i viadotti le pile sono del tipo a stelo con sezione pluriconnessa. La luce degli impalcati è di 33 metri, la luce netta delle travi è 32,50 metri, per uno sviluppo complessivo del Friddizza Nord di 627 metri e per il Friddizza Sud di 264 metri.

Gli impalcati presentano le seguenti caratteristiche geometriche:

  • Larghezza dell’impalcato: 9.30 m
  • Spessore soletta: 20 cm
  • Sezione travi: H 195/A30/BS65_30/BI65_30
  • Numero travi sezione trasversale 4 travi
  • Interasse travi: 2.40 m
  • Luce travi: 32.50 m – più corti gli impalcati di estremità

La tipologia della sezione trasversale dell’impalcato è ascrivibile alla tipologia a pettine, travi parallele con traversi disposti ortogonalmente che ripartiscono il carico tra le travi stesse. La presenza dei traversi a un terzo della luce, oltre ai due traversi posti all’estremità d’impalcato, garantisce efficacemente la ripartizione trasversale dei carichi sulle travi, oltre a ridurre l’effetto torsionale sulle singole travi dell’impalcato.

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I riscontri progettuali

Le prove di rilascio tensionale hanno permesso di rilevare che la caduta di tensione delle armature precompresse è mediamente del 50%, con un picco del 59%, mentre il valore medio della tensione rilevata è stato di 650 MPa.
Per un sistema post teso, la caduta di tensione da letteratura, considerata tra immediata e differita, è pari al 20%. Considerando una tensione iniziale caratteristica pari all’80% di fyk=1937 Mpa, ne deriva una tensione di progetto (al netto delle perdite di carico) pari a fyd=1347 MPa.

Durante l’esecuzione dei lavori, si è potuto riscontrare che l’altezza reale delle pile è diversa da quella assunta nella progettazione esecutiva. Ogni pila ha una parte, più o meno rilevante, affondata nel terreno (si veda a questo proposito la specifica tavola grafica). Questo comporta non solo un diverso comportamento strutturale statico e dinamico della pila, ma anche una significativa rivisitazione della capacità portante delle fondazioni, conseguentemente alla variazione del piano fondale.

Per approfondire il livello di conoscenza, si sono investigati tutti gli elementi strutturali e sono state eseguite indagini con estrazione di carote per determinare le caratteristiche meccaniche dei materiali, per definire lo stato di degrado e per approfondire il livello di conoscenza della struttura.

Relativamente alle fondazioni delle pile, costituite da plinti isolati su pali, è stata eseguita un’indagine geoelettrica tridimensionale, che ha permesso di determinare la consistenza dell’apparato fondale, tipologia di terreno in cui sono immersi i pali. Trattandosi di una roccia molto fratturata, l’intervento previsto per il consolidamento del fondale non ha alcuna utilità.

 

Sezione geoelettrica 3D in prossimità della pila n. 15.
(Ing. Francesco Fanigliulo)

 

Il viadotto, negli anni ’90 è stato oggetto di un intervento di risanamento strutturale che ha contemplato anche l’installazione di smorzatori sismici oleodinamici, in grado di solidarizzare gli impalcati alla pila in caso di sisma, accoppiati ad apparecchi di appoggio, in grado di evitare l’insorgere di stati di coazione all’interno degli elementi strutturali. La figura seguente illustra quanto è stato adottato negli anni ’90.

 

Configurazione sui pulvini.
(Ing. Francesco Fanigliulo)

 

Le fotografie illustrano le condizioni di vincolo in testa alle pile. Questi sono elementi di ritegno sismico.

Particolare dell’apparecchio di appoggio e del dispositivo di smorzamento viscoso.
(Ing. Francesco Fanigliulo)

 

Particolare del ritegno sismico trasversale estratto dalla relazione T00VI00STRRE03_B del progetto esecutivo, con evidenza del gap tra estremità trave e ritegno.

La verifica di vulnerabilità sismica della struttura è stata eseguita sulla base di due modelli numerici su cui sono state effettuate analisi strutturali statiche e sismiche:

  • un modello numerico descrittivo del sistema impalcati-pila; modello FEM locale impiegato per lo studio delle sollecitazioni di entrambi i viadotti;
  • un modello numerico globale. Sono stati realizzati due modelli globali, uno per il Friddizza Nord e uno per il Friddizza Sud.

È stato eseguito un accurato studio dell’opera utilizzando dei software ad elevato contenuto tecnologico, Allplan e Allplan Bridge , che hanno permesso di studiare l’intero modello del viadotto tenendo conto delle geometrie reali rilevate. Sono stati eseguiti modelli di calcolo per lo studio delle sollecitazioni indotte dai carichi agenti, con condizioni al contorno compatibili con quelle riscontrate in sito. Sono state anche eseguite verifiche locali sulla base delle prove e delle indagini svolte e delle ipotesi assunte.

Il modello BIM 3D del viadotto Friddizza Nord in Allplan Bridge.
(Ing. Francesco Fanigliulo)

>>> Scopri il flusso di progettazione BIM dei ponti con Allplan Bridge

Ai fini simici, si è proposto un nuovo schema di vincoli per l’impalcato, finalizzato a garantire le migliori prestazioni strutturali al viadotto. Si prevede l’impiego di una catena cinematica esterna che, svincolando le pile da buona parte delle azioni orizzontali di tipo sismico, riporti queste ultime alle spalle. In questo modo, si riducono le azioni orizzontali in testa alla pila e si ricentra lo sforzo normale al piede.

Alla luce delle indagini sul detensionamento dei cavi, si è rivisto l’intervento previsto in progetto e si sono verificate le condizioni di decompressione della parte inferiore della sezione della trave in c.a.p.

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È stato previsto un intervento di riabilitazione strutturale con rinforzi in CFRP in lamine, da apporre all’intradosso delle travi, e in tessuto, per le azioni di taglio alle estremità delle travi.

Relativamente alle pile, è prevista la riabilitazione strutturale delle stesse con l’impiego di malte ad alte prestazioni che, grazie ai bassi spessori, non alterano le masse sismiche, contribuendo contestualmente al rinforzo dell’elemento strutturale con materiali in grado di garantire elevate prestazioni.

 

Sezione parametrica trasversale del viadotto Friddizza Nord in Allplan Bridge.
(Ing. Francesco Fanigliulo)

 

Le armature degradate e quelle necessarie alle nuove sollecitazioni sono integrate con materiali innovativi quali i rinforzi in fibra di carbonio. Si consegue così, per le pile, un rinforzo strutturale poco invasivo per la struttura esistente e in grado di non alterare le masse e le geometrie preesistenti.

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L'articolo prosegue con il dettaglio degli interventi eseguiti e lo studio delle sollecitazioni dei carichi statici.

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