L’isolamento sismico dei ponti a travata: simulazione del comportamento longitudinale con modelli non lineari - K3

 

 

L’isolamento sismico risulta oggi una tecnica di protezione antisismica molto diffusa, in particolare nel contesto di opere infrastrutturali come ponti e viadotti stradali e ferroviari, considerata la funzione strategica che in genere assolvono. Sebbene ormai i principi fondamentali dell’isolamento sismico siano stati ben chiariti, si è ritenuto opportuno trattare ancora il tema dell’isolamento di ponti, incentrando l’attenzione sul comportamento longitudinale di impalcati a travata continua, che sono attualmente i protagonisti del panorama delle nuove realizzazioni. Di queste opere è stata analizzata la risposta dinamica, adottando diverse configurazioni di isolamento e non, partendo da un’azione sismica di riferimento medio-bassa, fino a raggiungere livelli di sismicità medio-alti, tipici del territorio nazionale. Lo studio, condotto con modelli non lineari integrando la risposta nel dominio del tempo, fornisce alcuni interessanti spunti sulla disposizione ottimale del sistema di isolamento, sui livelli di sismicità oltre cui risulta vantaggioso introdurre tali dispositivi ed introduce un interessante motivo di riflessione sulla modellazione degli appoggi mobili.

Questi sono comunemente ignorati ai fini della risposta sismica del viadotto, tuttavia a causa della presenza dell’attrito tra le superfici di scorrimento, possono sviluppare effetti smorzanti non trascurabili a vantaggio della sicurezza strutturale. L’articolo dunque, pur analizzando un numero finito di configurazioni, si propone di fornire un quadro generale di riferimento sui principali aspetti da considerare nella progettazione dell’isolamento sismico longitudinale di ponti a travata continua.

 

Lo schema statico in direzione longitudinale da adottare nei ponti a travata continua, costruiti in zona sismica, è oggi risolto in modo differente anche per opere con configurazioni geometriche e situazioni ambientali simili. Questo fatto denota come a tal riguardo non esista linea progettuale condivisa, né dal punto di vista puramente tecnico della massimizzazione della sicurezza strutturale né da quello dell’ottimizzazione economica delle risorse.

Nei viadotti a travata in c.a. ed acciaio, l’azione variabile più importante in direzione longitudinale, anche e soprattutto per frequenza, è sempre quella termica. Nei viadotti in c.a.p. all’azione termica si somma quella dovuta a ritiro e viscosità. Lo schema vincolare più efficace per ridurre le sollecitazioni associate a queste deformazioni, è quello di porre il fisso su una pila centrale. Nelle valli con un’orografia (profilo) regolare, come quella presa in considerazione in questo lavoro, tale scelta porta il più delle volte ad avere il vincolo fisso in corrispondenza delle pile più alte e quindi anche più flessibili, nel caso molto frequente in cui venga utilizzato lo stesso cassero (carpenteria) per tutte le pile. Questo schema è generalmente il più efficace, perché consente di contenere l’escursione dei giunti posti alle due estremità dell’impalcato continuo. Con questa soluzione oggi è possibile realizzare impalcati con lunghezze anche superiori ad 1 km senza particolari controindicazioni. Infatti, disponendo gli appoggi fissi in posizione baricentrica, gli effetti della variazione termica stagionale previsti dalle norme per un impalcato così lungo conducono ad escursioni dei giunti di circa di 10 cm. Tale soluzione, in regioni a forte sismicità, può non essere sempre percorribile.

Quando non è possibile resistere al sisma in direzione longitudinale con una sola pila fissa può essere vantaggioso, in taluni casi, accoppiare altre pile mediante degli apparecchi oleodinamici (shock transmitters) che sono macchine dal comportamento tutto sommato semplice e pertanto ragionevolmente affidabile. Questa soluzione ha il vantaggio di sfruttare in condizioni sismiche le risorse di resistenza e duttilità di più pile, evitando di introdurre coazioni e stress termici per le deformazioni lente da temperatura e ritiro/viscosità del calcestruzzo.

In molti casi però, l’accoppiamento di ulteriori pile può non essere sufficiente a contenere gli spostamenti/deformazioni di pile ed impalcato.

Tale situazione è tanto più frequente quanto maggiore è la lunghezza del viadotto e l’intensità sismica del sito. Ciò si verifica quando anche accoppiando un certo numero di pile, la risposta dell’opera resta sul ramo piatto dello spettro in spostamenti. Viceversa, accoppiando una sottostruttura rigida le forze che vengono attratte da quest’ultima risultano essere troppo onerose per la sottostruttura stressa ovvero delle sue fondazioni.

In effetti, considerando l’attrito su i vincoli mobili, si vede che queste situazioni si riducono di molto fino praticamente a scomparire, a patto di poter disporre di una adeguata flessibilità/duttilità delle sottostrutture.

 

Con riferimento al viadotto schematizzato in Figura 1, sono state condotte delle analisi sismiche non lineari nel dominio del tempo, considerando differenti:

- condizioni di vincolo

- rigidezze delle pile

- azioni sismiche

 

 

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L’isolamento sismico può oggi essere implementato ricorrendo a diverse tipi di dispositivi. Le categorie principali sono 4, quelle che utilizzano la cedevolezza ed isteresi della gomma, quelle che utilizzano le capacità dissipative delle leghe metalliche, quelli che impiegano fluidi viscosi e quelli basati sull’attrito.

Chi scrive ritiene i sistemi di dissipazione basati su ritegni metallici (Figura 6), che si plasticizzano al raggiungimento di una prestabilita forza, essere i più indicati per le infrastrutture italiane, considerato che gran parte del territorio nazionale è caratterizzato da una sismicità non particolarmente elevata e comunque molto inferiore a quella che contraddistingue altre regioni nel mondo (soprattutto i paesi del Pacifico come Giappone e Nuova Zelanda), dove il ricorso a sistemi differenti può invece risultare vantaggioso.

Per quanto riguarda invece la disposizione degli apparecchi per l’isolamento longitudinale, in fase di progettazione è necessario contemperare i seguenti due assiomi, che risultano per altro essere spesso in contrasto tra loro:

1. La maggiore efficienza teorica si ottiene quando il dispositivo collega l’impalcato ad un punto rigido, quindi la spalla o una pila bassa o comunque dotata di una elevata rigidezza.

2. La maggiore economia costruttiva si ha inserendo questi ritegni in corrispondenza degli appoggi fissi ovvero in posizione baricentrica rispetto all’estensione longitudinale del viadotto. Questa posizione corrisponde però, il più delle volte, a delle pile alte e quindi flessibili.

 

Nelle analisi condotte sono state prese in considerazione entrambe le possibilità.

 

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