La precompressione esterna nel recupero e rinforzo del ponte di Caprona in Calcestruzzo sul fiume Arno

Il ponte di Caprona, costruito negli anni ’50 in calcestruzzo armato precompresso con travi prefabricate in cantiere rappresenta una infrastruttura di estremo interesse e di notevole importanza nella rete viabile della provincia di Pisa.

Esigenze di maggiore funzionalità pedonale e di traffico pesante hanno reso necessario lo studio e l’esecuzione di un intervento di recupero e rinforzo della struttura che è stato eseguito con la tecnica della precompressione esterna e modificando lo schema statico dell’impalcato.

Retrofit with external prestressing of Caprona bridge over the Arno river

C. Ristori¹, M. Viviani²

1 Local Administration - Amministrazione Provinciale di Pisa, Pisa, Italy

2 Bridge Department of Maffeis Engineering Spa, Vicenza, Italy

Figure 1. Bridge view / Vista del ponte

L’Italia ha avuto un notevole sviluppo della sua rete infrastrutturale negli anni ’50 e ’60 dovuto, inizialmente alla ricostruzione seguita alla fine del secondo conflitto mondiale e successivamente al sostegno della notevole crescita economica del paese.

Le tecnologie costruttive del tempo non avevano ancora la sensibilità di oggi per quanto riguarda gli aspetti manutentivi, con il risultato che molte delle opere d’arte attualmente in esercizio e realizzate in quegli anni, necessitano di importanti interventi di manutenzione straordinaria. Parimenti, il forte incremento del traffico sia in termini di numero di veicoli che di peso per asse, risulta spesso non più compatibile con le valutazioni di funzionalità considerate ai tempi della progettazione e costruzione.

In questo contesto si inserisce il tema della manutenzione e più in generale dell’orientamento degli investimenti nelle opere pubbliche infrastrutturali. Il livello di degrado unito alla capacità resistente rappresentano i parametri principali di valutazione del rapporto costi/benefici di un intervento di manutenzione straordinaria. In via del tutto generale è possibile compiere sempre valutazioni economiche di comparazione tra la soluzione di rinnovo con demo-lizione e ricostruzione e quella di recupero e rinforzo.

Nella pratica queste valutazioni contengono an-che elementi strettamente legati alla funzionalità della rete stradale nel suo complesso e l’alterazione di una maglia può talvolta provocare dei costi impropri per la cittadinanza interessata, del tutto insostenibili, a meno di situazioni emergenziali.

In questo quadro di valutazione è quindi sempre più frequente ritenere un criterio importante la velocità dell’intervento, e l’uso di tecnologie efficienti diventa una necessità.

In generale il ventaglio di possibilità per il recu-pero e rinforzo di una struttura esistente è riconduci-bile, in estrema sintesi alle seguenti:

• modifica dello schema statico;
• modifica delle sezioni resistenti;
• inserimento di azioni stabilizzanti.

Al primo tipo appartengono tutti gli interventi che modificano lo schema strutturale in modo da aumentare la resistenza complessiva o da ridurre l’effetto delle azioni sul sistema.

E’ questo il caso della realizzazione di pareti controventanti o dell’inserimento di isolatori alle fondazioni. Questa tecnologia rappresenta sicuramente aspetti positivi riassumibili, in sintesi, nella possibilità di rimodellare la struttura esistente secondo schemi resistenti finalizzati alle parti o alle azioni di maggiore interesse. Per contro, l’intervento sullo schema statico rappresenta molto spesso un impegno economico non trascurabile e talvolta non compatibile con i costi di demolizione e ricostruzione del manufatto. La modifica delle sezioni resistenti rappresenta sicuramente la tecnica più diffusa. Le sezioni in calcestruzzo possono essere ricostruite o modificate con malte da ripristino strutturale di sicuro affidamento nei confronti della resistenza e della durabilità. L’armatura metallica viene correntemente sostituita o aumentata sia con l’inserimento diretto nella membratura di nuove barre sia con l’applicazione superficiale di strisce metalliche. A quest’ultima possibilità si è sostituita molto spesso la pratica di rinforzo con materiali compositi il cui utilizzo presenta particolari difficoltà realizzative ma costituisce certamente una valida alternativa all’acciaio.

In pratica il rinforzo delle sezioni resistenti rappresenta nella pratica corrente un’utile alternativa al rinforzo delle strutture anche se trova alcune limitazioni nella difficoltà di rinforzo dei nodi.

La precompressione esterna rappresenta una tecnologia di rinforzo di sicuro interesse. L’inserimento di azioni calibrate nella struttura consente di ridurre sensibilmente le sollecitazioni agenti da verificare e di sfruttare al pieno le caratteristiche portanti del calcestruzzo compresso. Quest’ultima condizione è di notevole utilità specialmente nelle zone a forte sollecitazione tagliante con sezioni che acquistano una notevole resistenza a taglio grazie alle componenti orizzontali e verticali dello sforzo di precompressione.

La presollecitazione esterna rappresenta anche una tecnica di rinforzo estremamente vantaggiosa, con numerosi aspetti positivi sia dal punto di vista tecnico che economico ed ha trovato numerose applicazioni già da qualche anno. Dal punto di vista tecnologico l’inserimento di cavi di precompressione non presenta particolari problemi esecutivi fatta eccezione per le testate di ancoraggio che talvolta possono presentare qualche difficoltà di posizionamento (Viviani 2011, Costa et al. 2016).

Ponte di Caprona: descrizione della struttura

Il passaggio dell’Arno nella località di Caprona è da sempre esistito, inizialmente con barchini di attraversamento poi con un bel ponte ad arco andato distrutto a seguito di bombardamenti alleati durante l’ultima parte del secondo conflitto mondiale.

La ricostruzione che ne seguì fu improntata alla massima velocità con l’affidamento dei lavori alla S.C.A.C., Soc. Cementi Armati Centrifugati (Milano) che già utilizzava con successo la tecnica della precompressione. Il ponte, della lunghezza di circa 100,00 metri è organizzato con tre campate uguali della lunghezza di 32,00 metri con luce tra gli appoggi di ciascuna travata di 31,20 metri. Lo schema statico è costituito da travi semplicemente appoggiate organizzate con una sezione trasversale di larghezza pari a 9,00 metri, del tipo aperto con sei travi parallele e cinque traversi intermedi.

Le sottostrutture sono costituite da pile cave impostate su un plinto massiccio destinato al trasferimento dei carichi al sistema fondale rappresentato da una palificata con pali SCAC battuti.

Dal punto di vista tecnologico il progetto è perfettamente riconducibile alle tipologie più frequenti del tempo. Le pile sono cave, con spessori delle pareti variabili dal piede alla sommità, Le anime delle travi sono estremamente sottili, 14 cm, e con pochissima armatura lenta. L’armatura di precompressione, in fili del diametro di 5 mm, è ben distribuita secondo il diagramma delle sollecitazioni flettenti con testate intermedie e tracciati perfettamente studiati per evi-tare qualsiasi condizione di trazione.

Gli ancoraggi sono in sistema Freyssinet e distribuiti praticamente in tutta la sezione di estremità con qualche aggiunta di testate in soletta.

La sezione è altresì precompressa trasversalmente con cavi nella soletta d’impalcato e nella parte inferiore dei traversi in modo da realizzare un grigliato di travi perfettamente efficiente. L’uso così spinto della precompressione applicata al-le membrature portanti longitudinali, oltre che alla soletta d’impalcato e ai traversi è da considerare una notevole innovazione nel contesto delle strutture dell’epoca, circostanza testimoniata dall’interesse riportato in Congressi Internazionali (AITEC, 1962) e dal richiamo nella letteratura specializzata (Cestelli Guidi, 1956).

A fianco della modernità strutturale questo ponte si caratterizza anche per una notevole modernità costruttiva.

Le travi in precompresso sono state realizzate in cantiere seguendo una carpenteria orientata a ridurre al minimo le successive operazioni di completamento. In corrispondenza dei traversi la trave prefabbricata presenta, ad esempio, delle parti triangolari di traverso in modo da semplificare le casserature di completamento. Le travi sono a T con uno spessore di soletta da completare in opera fatta eccezione per le due travi di bordo che hanno le due parti superiori a pieno spessore in modo da contenere le testate in completa sicurezza.

A questo si deve aggiungere il superamento delle difficoltà di varo che non potevano certo sfruttare le potenzialità delle gru odierne e nemmeno dei materiali e dei dispositivi di scivolamento oggi disponibili (teflon, inox ecc.). Complessivamente la struttura del ponte di Caprona è un esempio pregevole della nostra ingegneria di quel periodo che evidenzia l’elevatissimo livello di capacità progettuale unito ad una capacità di pianificazione operativa assolutamente di eccezione.

Anche dal punto di vista estetico il ponte di Ca-prona si presenta in linea con un corretto linguaggio compositivo. Le pile massicce sono rastremate verso l’alto e sagomate secondo una superficie piramidale. L’equilibrio dimensionale dell’impalcato con le pile è perfettamente riuscito e la snellezza della sovrastruttura, rapporto tra l’altezza delle travi e la luce teorica, è pari a circa 1/19, parametro indicativo di un certo ardimento per il tempo in cui è stato progettato e costruito questo ponte.

Il progetto e l’intera storia costruttiva è stata mirabilmente riportata nella Rivista di Ingegneria (Vi-chi, 1954) a cui è stato fatto riferimento per la ricostruzione del progetto e la successiva progettazione dell’intervento di recupero e adeguamento.

Dal punto di vista del degrado la struttura esistente si presentava con una soletta d’impalcato estre-mamente compromessa mentre per le travi non si ravvisavano elementi da ricondurre ad una perdita di precompressione né ammaloramenti del calcestruzzo, fatta eccezione per alcuni punti del tutti singolari e di importanza limitata.

Figure 2. Original deck / Impalcato originario

Alcuni danneggiamenti locali dovuti al vandali-smo che spesso accompagna il passaggio delle infrastrutture di servizio, avevano innescato alcuni punti di degrado nei cordoli laterali.

Le sottostrutture erano in condizioni di normale manutenzione e le fondazioni erano state oggetto di recenti interventi volti a limitare effetti di scalzamento dovuto alla corrente.

Gli appoggi erano costituiti da lastre in piombo per le cerniere fisse e settori cilindrici in c.a. per i carrelli. Lo stato di manutenzione era pessimo sia dal punto di vista della conservazione che del funzionamento.

Il progetto di recupero e rinforzo del ponte

Il quadro delle conoscenze della struttura e del suo stato di manutenzione ha permesso ai tecnici responsabili dell’Amministrazione provinciale di Pisa di compiere tutte le valutazioni tecnico-economiche unitamente alla conoscenza dei vincoli di carattere territoriale indicati dalle amministrazioni comunali di Cascina e Vicopisano, competenti per le due sponde.

L’obiettivo dell’intervento è stato quindi fissato con la necessità di adeguare la funzionalità dell’attraversamento non solo dal punto di vista sismico e dei carichi verticali, come previsto dalla normativa, ma anche riguardo alla tipologia di traffico a seguito dell’incremento del traffico pedonale e ciclabile per l’utilizzo delle aree fluviali per attività ricreative, corsa, pesca ecc.

La larghezza della sezione originaria da 9,00 metri è stata allargata a 10,30 metri e organizzata con una parte viabile di 6,50 m protetta da sicurvia e due parti laterali destinate a marciapiede di servizio e pista ciclo pedonale protette dai parapetti.

Figure 3. Abutment / Spalla

Dal punto di vista strutturale l’intervento è stato finalizzato al miglioramento sismico della struttura e al rinforzo delle membrature in modo da verificare la sicurezza per i carichi previsti dalla normativa tecnica NTC 2008. Per ridurre le azioni sulle pile, gli impalcati sono stati uniti longitudinalmente in corrispondenza dei giunti, con articolazioni a cerniera a livello baricentrico della sezione trasversale in modo da riportare le azioni longitudinali ad una spalla e lasciare alle pile le sole azioni sismiche trasversali.

Il rinnovo degli appoggi ha completato il progetto dello schema vincolare.

Figure 4. Bearings / Appoggi

La soletta d’impalcato è la parte di membratura che presentava le peggiori condizioni di manutenzione e che era destinata ad un ampliamento.

Fin da subito è stata scartata l’ipotesi di totale rinnovo della soletta perché incompatibile con lo stato di coazione indotto dai cavi. In altre parole un eccessivo alleggerimento in fase esecutiva avrebbe comportato la rottura delle travi per eccesso di precompressione. La soluzione che è apparsa subito percorribile è stata il caricamento di un sovraspessore di soletta con allargamenti a tutta altezza ai lati. Il nuovo getto è stato assicurato alla struttura esistente a mezzo di connettori disposti in corrispondenza delle anime, realizzati dopo una scarifica profonda a mezzo di idrodemolizione.

Figure 5. Cross section / Sezione

L’aumento dei carichi permanenti e l’obiettivo di aumentare la portata, imponeva il rinforzo delle membrature principali; valutazioni comparative han-no subito condotto la scelta verso la precompressio-ne esterna che presentava la migliore efficacia d’intervento.

Il numero dei traversi ha consentito infatti di realizzare un tracciato dei cavi calibrato sulle maggiori azioni di progetto.

I sei cavi ciascuno con nove trefoli sono stati realizzati con guaine in PeAd DN90 PN6 con all’interno nove trefoli del tipo 0,6 super iniettati dopo la tesatura. Le due testate di estremità hanno completato il sistema di presollecitazione. Dal punto di vista delle verifiche strutturali la precompressione aggiunta su una struttura già precompressa presenta sempre una serie di problemi del tutto particolari.

In linea generale è sempre possibile incrementare la precompressione in relazione all’incremento dei carichi esterni, fermo restando il limite di massima compressione che, nelle strutture precompresse, si raggiunge molto spesso nelle condizioni transitorie; quelle cioè durante la costruzione.

Anche per il ponte di Caprona la condizione di massimo impegno è stata raggiunta durante la fase costruttiva e precisa-mente al termine della scarifica dell’impalcato con il completo alleggerimento e quindi con la minima azione flettente sulle sezioni di mezzeria per le quali l’effetto della precompressione è dislocato alla massima eccentricità.

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KEYWORDS: external prestressing; retrofit of existing structure; change of structural system / precompressione esterna; recupero e rinforzo di strutture esistenti; modifica dello schema strutturale.

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