Ponti stradali ad arco in muratura: verifiche di sicurezza mediante l’approccio parametrico per macro-elementi

Le Linee Guida 2020 introducono nuove procedure nella gestione e nella verifica dei ponti stradali esistenti. A tale scopo, il software HiStrA Bridges aiuta il professionista nella modellazione parametrica e nell’analisi non lineare 3D di ponti esistenti. In questo articolo l'applicazione del software al caso studio del ponte stradale sul torrente Dolo.

Quali azioni per migliorare il nostro patrimonio infrastrutturale?

Le recenti Linee Guida approvate ad aprile 2020 aprono un nuovo capitolo sulle procedure di verifica e le attività di monitoraggio dei ponti stradali esistenti, che vedrà impegnate le amministrazioni, gli enti gestori e i professionisti ad intraprendere azioni per il miglioramento del nostro patrimonio infrastrutturale.

Il testo della norma prevede inizialmente un censimento dei ponti esistenti finalizzato alla sorveglianza ed al monitoraggio per poi eseguire una classificazione del rischio rispetto alla quale si perviene, mediante un approccio multilivello, alle verifiche di sicurezza dell’opera.

Queste ultime consistono, nei casi previsti dalle Linee Guida, nella realizzazione di un modello di calcolo non lineare capace di simulare la risposta della struttura soggetta a scenari di carico previsti.

In particolare, si introducono le verifiche di transitabilità e di operatività da eseguire nei casi in cui non siano soddisfatte le verifiche ai sensi del cap. 5 delle NTC2018.

Nel caso dei ponti ad arco in muratura è richiesta una modellazione tridimensionale accurata al fine di analizzare la risposta non lineare globale e gli effetti locali, come quelli causati da quadri fessurativi o dall’eccentricità dei carichi viaggianti. Stante l’elevato numero di ponti da monitorare è auspicabile poter utilizzare procedure di modellazione parametriche per l’analisi strutturale non lineare, che siano in grado di cogliere i meccanismi di collasso della muratura e al contempo restituire informazioni sulla capacità portante della struttura e procedere alle verifiche agli stati limite ultimi e di esercizio.

Tali esigenze sono state recepite nel software HiStrA Bridges (Historical Structures Analysis), dedicato all’analisi non lineare di ponti ad arco in muratura che mediante un input parametrico permette la generazione del modello 3D e delle combinazioni e distribuzioni di carico a cui il ponte è soggetto.

Il software è dotato di un potente solutore a matrici sparse che, implementando l’approccio ai macro-elementi discreti (DMEM) concepito per simulare i meccanismi di rottura delle murature, permette di ottenere, grazie al contenimento dei gradi di libertà rispetto ad altri approcci FEM, un risparmio significativo dell’onere computazionale e dei tempi di calcolo. 

Nel presente articolo verranno trattati brevemente le principali caratteristiche del software e si mostra uno studio di dettaglio relativo il ponte stradale sul torrente Dolo.

Le verifiche di transitabilità e di operatività: come uno strumento software di simulazione può aiutare i professionisti

La gestione e la sicurezza dei ponti esistenti sono gli obiettivi delle recenti Linee Guida che mirano a prevenire livelli inadeguati di danno e a mitigare il rischio di crolli e di perdite di vite umane mediante un approccio multilivello consistente in valutazioni accurate estese a livello territoriale, quali il censimento, le ispezioni e la classificazione, e nei casi previsti in valutazioni accurate mediante analisi numeriche non lineari volte ad accertare l’effettiva capacità portante del ponte per confrontarla con le richieste prestazionali prescritte dalle NTC2018 in condizioni statiche e sismiche.

Laddove le risorse strutturali risultassero insufficienti o inadeguate rispetto alle citate prescrizioni, le Linee Guida consentono di eseguire le verifiche di sicurezza assumendo azioni da traffico stradale “reali”, ossia conformi a quelle previste dal Codice della Strada (§6.3.2.2), e riduzioni dei valori dei coefficienti parziali di sicurezza dei materiali (§6.3.4.1) e delle azioni (§6.3.3.1), al fine di conseguire una prestazionalità minima relativa ad un livello di operatività o di transitabilità caratterizzati da un tempo di riferimento tref rispettivamente pari a 30 e 5 anni.

Alla luce di questa innovazione normativa sorge l’esigenza di dover effettuare numerose simulazioni numeriche per diversi scenari di carico che richiedono un elevato onere nella modellazione, nel calcolo e nella valutazione della risposta strutturale se eseguiti con strumenti di calcolo FEM ‘general-purpose’ non dedicati allo studio di queste specifiche tipologie strutturali.

D’altra parte, l’immenso patrimonio infrastrutturale di ponti stradali deve essere sottoposto a controllo e verifica per cui è auspicabile poter utilizzare procedure di modellazione parametriche per l’analisi strutturale non lineare, che siano in grado di fornire informazioni in merito alla capacità portante della struttura.

Le caratteristiche e i vantaggi di HiStra Bridges

Il software  HiStrA Bridges raccoglie queste esigenze e permette la modellazione parametrica di ponti ad arco in muratura mediante un input parametrico, semplice, concepito per simulare le azioni da traffico stradale e ferroviario.

Esso è basato sull’approccio ai macro-elementi discreti (DMEM) [2-8] concepito per simulare i meccanismi di rottura tipici delle murature - rocking, taglio diagonale e scorrimento – mediante legami costitutivi non lineari isteretici di tipo fratturante, e di considerare eventuali interventi migliorativi mediante la modellazione di sistemi di rinforzo quali catene, cerchiature, miglioramenti delle qualità meccaniche della muratura.

La nuova release del software è stata arricchita negli archivi dei carichi mobili con le azioni da traffico richieste dalle Linee Guida, ossia i carichi viaggianti da Codice della Strada, consentendo così una rapida modellazione e analisi della struttura.

Il software HiStrA Bridges consente l’analisi statica non lineare tridimensionale dell’intera struttura, per la valutazione della risposta inelastica in corrispondenza di una azione di intensità fissata (analisi a controllo di forze), ovvero rispetto alla valutazione della capacità portante per una distribuzione di carico fissata in corrispondenza di un campo di spostamenti imposto (analisi a controllo di spostamento).

Inoltre, il software consente la valutazione dei modi e frequenze proprie di vibrare per la caratterizzazione del comportamento dinamico della struttura e per l’eventuale simulazione dell’azione sismica mediante l’applicazione di una azione proporzionale ai modi di vibrare in un’analisi statica non-lineare incrementale (pushover modale o multimodale). Le curve di capacità ottenute dalle analisi pushover sono processate dal software per la stima della vulnerabilità sismica secondo il metodo A del §C7.3.4.2 della Circolare n° 7.

Fig. 2. Il ponte in muratura su torrente Dolo, Loc. Ponte Dolo, Toano (RE). Foto del prospetto, rilievo in pianta e vista tridimensionale

Il ponte stradale sul torrente Dolo: il caso studio

Si presenta ora un interessante caso di studio, per il quale la valutazione della sicurezza statica e sismica è stata condotta mediante l’ausilio del software HiStrA Bridges.

Il ponte è sito in Località "Ponte Dolo", nel Comune di Toano (RE), ed è costituito da 7 archi in muratura caratterizzati da una luce media di 11.80m, freccia media di 3.80m e spessore 0.75m. Le pile, anch’esse in muratura, sono caratterizzate da altezza variabile da 2.25m a 4.50m fuori terra; il loro spessore varia da 2.30m circa (pile centrali allineamenti n.3, 4, 5 e 6) a 3.30m circa (pile esterne allineamenti n.2 e 7).

Fig. 3. Rilievo strutturale - stratigrafie

Sono state eseguite indagini in situ ed un accurato rilievo tridimensionale al fine di giungere, vista la mancanza di documentazione progettuale, ad una migliore conoscenza dell’opera e delle caratteristiche dei materiali. In particolare, i carotaggi eseguiti hanno evidenziato che le pile presentano uno strato corticale ed un nucleo scadente dal piano viabile, con estrazione del materiale di riempimento presente all'interno del nucleo centrale delle pile, racchiuso dalla muratura perimetrale, ed a ridosso delle spalle. La valutazione della sicurezza del complesso strutturale, sia nei confronti dei carichi statici che delle azioni sismiche, è stata condotta sulla base delle prescrizioni fornite dal D.M. 17/01/2018 e della relativa Circolare n° 7. 

Fig. 4a-b. Il modello di calcolo in HiStrA Bridges

L'analisi del quadro fessurativo e di degrado

Durante i sopralluoghi effettuati si è potuto rilevare un buono stato di conservazione del manufatto nel suo complesso; si sono evidenziati comunque alcuni aspetti locali che richiedono l'esecuzione di interventi di mitigazione e ripristino ma che non costituiscono impedimenti all'utilizzo dello stesso, in particolare:

• abbassamento del piano di scorrimento dl torrente Dolo con asporto del terreno di ricoprimento delle fondazioni in corrispondenza delle pile identificate dagli allineamenti 6 e 7. Le fondazioni risultano scoperte e l'azione di dilavamento dell'acqua ha comportato, in alcuni punti, l'asportazione della malta tra i blocchi della muratura;
• sugli archi in mattoni pieni in alcuni punti la malta è ammalorata, così come lo sono alcuni mattoni (in zone probabilmente soggette ad infiltrazioni); sono evidenti interventi postumi alla costruzione di ripresa della malta (si veda foto seguente);
• l’arco tra gli allineamenti 7 e 8, campata terminale del ponte, ha subito un intervento di ripristino, sul lato a valle, mediante la ricostruzione di parte dell'arco non con mattoni ma con una struttura in cemento armato. Tale ripristino versa in non buone condizioni, con evidenti distacchi rispetto alla parte in mattoni, erosione del copriferro e delle relative armature e stato fessurativo in corrispondenza delle reni;
• alcuni archi presentano parti di struttura realizzata con blocchi lapidei in luogo dei mattoni pieni, ciò ha comportato l'insorgere di fenomeni fessurativi tra i diversi materiali dovuto, con ogni probabilità, alla mancanza di adeguato ammorsamento tra gli stessi. 

....continua la lettura nell'articolo integrale.

L’articolo completo è tratto da Digital Modeling. n. 30 di CSPFea.

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