Qual è il software adeguato per i calcoli e le verifiche di Ponti e Viadotti?

La classificazione e gestione del rischio di ponti e viadotti richiede il calcolo e la verifica di ponti esistenti che possono essere a travata, a cassone, reticolari, ad arco, in CAP, acciaio, muratura. È importante scegliere il software in grado di affrontare il calcolo in modo rapido, ma efficiente, dettagliato e accurato. Questa è una rapida guida orientativa per capire le necessità e trovare la giusta soluzione. 

Con l’Assemblea Generale del 17/4/2020, il Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici ha approvato le “Linee Guida per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza ed il monitoraggio dei ponti esistenti”.

L’aspetto più nuovo rispetto alle normative abituali è l’approccio cosiddetto di multilivello.

Le Linee Guida indicano una procedura che seguendo una serie di operazioni scandite da sei Livelli (da “Livello 0” a “Livello 5”) portano passo passo il progettista incaricato a inquadrare in modo univoco:

• il censimento dell’opera

• la classificazione del suo rischio

• la verifica del livello di sicurezza

• le attività di sorveglianza dell’opera mediante ispezioni periodiche e straordinarie

• le attività di monitoraggio dell’opera mediante monitoraggio continuo

Una Norma anche (Infra) BIM

Il Censimento dei ponti stradali è una operazione che vede il sovrapporsi di almeno altri due database, quello dell’AINOP, Archivio Informatico Nazionale delle Opere Pubbliche, che si estende ben oltre lo scopo dei soli ponti stradali, e il Bridge Management System di ANAS, probabilmente il principale gestore di ponti e viadotti in Italia. Nel caso dell’Archivio delle Opere Pubbliche le Linee Guida dichiarano la loro compatibilità con il tracciato del Database AINOP previsto per i ponti, mentre nel caso di ANAS la compatibilità è di difficile valutazione e probabilmente comporterà un qualche adeguamento delle basi di dati se si vorrà sfruttare la sinergia.

Come le Linee Guida richiedono la digitalizzazione delle verifiche di ponti e viadotti esistenti? 

Approfondisci il tema InfraBIM per ponti e viadotti in questo articolo di Ingenio

Il censimento e le ispezioni: Livelli 0 e 1

Si descrivono qui sommariamente i vari Livelli lasciando l’approfondimento al Manuale CSPFea scaricabile gratuitamente.  

Scarica qui il Manuale operativo per la Valutazione della Sicurezza di Ponti e Viadotti con il software MIDAS Civil 

L’attività prescritta dalla norma nel Livello 0 non prevede calcoli, e si esplica nella compilazione di una scheda di censimento che ha l’indubbia utilità di uniformare la nomenclatura o tassonomia di ponti e viadotti.  

Il Livello 1 dell’approccio multilivello prevede l’affinamento del Livello 0 mediante l’esecuzione di ispezioni visive su tutte le opere presenti sul territorio e catalogate nel censimento di Livello 0.

Anche in questo caso non sono richiesti calcoli ma piuttosto delle ispezioni visive finalizzate a verificare l’attendibilità dei dati raccolti nel censimento di Livello 0 e raccogliere ulteriori informazioni circa le effettive caratteristiche geometriche e strutturali dell’opera in esame.

L’approccio Livello 1 consiste in 3 Schede (costituenti l’allegato B delle Linee Guida):

• Scheda descrittiva di ispezione ponti di livello 1, la quale estende la Scheda di livello 0;

• Scheda di ispezione ponti di livello 1 – Fenomeni di frana e fenomeni idraulici

Nonché un insieme di 20 Schede di difettosità previste per ogni elemento costitutivo del ponte:

• Spalle

• Pile

• Apparecchi di appoggio

• Giunti

• Piedritti

• Archi

• Travi

• Soletta

• Elementi accessori

Con riferimento all’impiego di software “InfraBIM”, modellazione informativa per ponti, che permettano una modellazione nel rispetto della struttura spaziale e semantica del “tipo” ponte¹, come MIDAS CIM, potrebbe essere utile una associazione degli ID unici degli elementi del Modello Digitale con gli oggetti referenziati nelle schede. 

Scheda di Difettosità collegate alle parti del ponte (Midas CIM).

La Classificazione dell’Attenzione: il Livello 2

Dopo aver censito l’opera con il Livello 0, e classificata nelle difettosità al Livello 1, si perviene quindi al Livello 2 dove viene introdotta la prima parte algoritmica della Linea Guida. Il Livello 2 è ancora una classificazione, avendo come obiettivo il determinare la Classe di Attenzione (CdA) necessaria a definire le attività di ingegneria da svolgere sul ponte. Non si tratta di calcoli di simulazione su modelli di ponte, ma di semplici algoritmi per la determinazione della CdA, a seguito della quale si entra nei livelli 3 (valutazione più semplificata) e 4 (valutazione più accurata) secondo il seguente flusso schematico. 

Verifiche di Livello 3 e 4 in funzione della CdA del ponte determinata con le procedure del Livello 2 (rielaborazione Fig. 1.1 delle LLGG)

Le valutazioni con calcoli: i Livelli 3 e 4

I Livelli 3 e 4, tra loro alternativi in funzione della CdA determinata in precedenza, prevedono calcoli e verifiche e conducono ad una ulteriore classificazione. Questa fase può essere condotta con i metodi della Scienza delle Costruzioni dedicata alla schematizzazione dei ponti, con calcoli “manuali”, tuttavia, nel caso di utilizzo di software dedicati, è bene valutare accuratamente anche quale tra i software per ponti risulti più adatto all’applicazione. 

La Bridge Total Solution distribuita in esclusiva da CSPFea, che assiste e supporta gli ingegneri nell’uso dei software, riunisce alcuni tra i migliori software di calcolo e verifica di ponti presenti sul mercato per coprire lo spettro di applicazioni e tipologie di ponti e viadotti. 

1   Verifiche di impalcati con travi in CA o CAP: X-Ponti

La nuova versione 2021 del software XPonti di SIGMAc consente di eseguire il calcolo e le verifiche accurate di livello 4 e i carichi stradali previsti dalle Linee Guida 2020. Nel software è, tra l’altro, presente il concetto di precompressione parziale. Il software prevede accorgimenti per una più facile verifica di impalcati esistenti in semplice appoggio in ca e cap caratterizzati da materiali non più in uso e sistemi di precompressione utilizzati negli anni ’50-’60. 

In sintesi: verifiche speditive ed accurate di impalcati.

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2 Verifiche di ponti ad arco in muratura: Histra Bridges

La versione 2021 di Histra Bridge di Gruppo Sismica, software di modellazione rapida di viadotti a qualunque numero di arcate in muratura, permette la modellazione rapida di geometrie e materiali, ed una analisi non lineare per materiali fragili (qual è la muratura) alla portata degli ingegneri che si ritrovano a dover classificare e verificare molti ponti ferroviari e stradali.

In sintesi: rapidità, facilità e accuratezza del calcolo di ponti ad arco in muratura. 

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3  Verifiche di ponti di qualsiasi tipologia: MIDAS Civil

Il software di utilizzo diffuso in tutto il mondo, ideale quando è necessario modellare il ponte (impalcato, sovra e sottostrutture) nella sua interezza. Ideale per le verifiche di elementi 1D e 2D (trave e piastra) secondo Eurocodici, NTC2018 e Linee Guida 2020. Permette anche analisi non lineari per materiali, fenomeni lenti e sismica. Calcolo e verifica completo e dettagliato.

In sintesi: il miglior software disponibile per i progettisti di nuovi ponti e verificatori di ponti esistenti.

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4  Verifiche di ponti speciali: MIDAS FEA NX

Il software più classico, FEM, molto utilizzato per analisi nonlineari di ponti in muratura e per analisi di dettaglio di ponti in CA e CAP quando sia necessario modellare la geometria come un continuo 3D, armature lente e pretese. Usato da grandi gestori di opere infrastrutturali, Università e Società di Ingegneria per servizi avanzati al cliente.

In sintesi: Calcolo FEM completo, affidabile e dettagliato per modelli al continuo.

Al Livello 3 i calcoli e le verifiche sono di tipo sommario. 

La verifica si effettua valutando il rapporto tra la domanda indotta d_i dai carichi previsti all’epoca e la domanda ottenuta d_NTC utilizzando le norme vigenti attualmente. 

Ad esempio, si valuta il massimo momento flettente indotto dai carichi, opportunamente ripartiti sulle travi di impalcato, sulla trave più sollecitata dell’impalcato. L’operazione viene svolta con i carichi della Normativa vigente all’epoca della progettazione del ponte, ricavando d_i, e con i carichi previsti dalla più recente normativa (NTC2018), ricavando dNTC.

Nelle verifiche di Livello 4, obbligatorie per i ponti con CdA Alta, si applicano le classiche procedure di simulazione numerica sul modello di ponte in esame, ambito classico di operatività ancora una volta con uno dei software più appropriati descritti sopra.

Le verifiche (di ogni parte del ponte) debbono essere condotte ai sensi delle NTC valutando opportunamente, come spiegato dalle Linee Guida, i seguenti fattori:

• fattori di sicurezza, e valori di progetto, dei materiali esistenti, 

• fattori parziali di sicurezza delle azioni variabili (in particolare vento, traffico, sisma), 

• fattori parziali di sicurezza dei carichi permanenti

In tutti i casi la quantificazione del livello di sicurezza si valuta sul rapporto tra capacità e domanda ed in particolare:

• per azioni sismiche, ξ_E rapporto tra azione sismica massima (ag) sopportabile dalla struttura e l’azione sismica massima che si utilizzerebbe in analogo progetto nuovo (medesimo suolo, medesimo periodo proprio, etc.);

• per carichi verticali (valutando ogni porzione i-esima di ponte),  ξ_V,i  rapporto tra il valore massimo del carico verticale variabile sopportabile dal ponte e il sovraccarico verticale variabile che si userebbe nel progetto di nuova costruzione.    

Nel caso in cui si verifichi una inadeguatezza dei carichi da traffico, sarà possibile ricercare una limitazione degli stessi limitando i carichi in transito, restringendo l’uso dell’opera o eseguendo interventi.

Le Linee guida propongono una classificazione per i ponti stradali esistenti in funzione delle azioni e del periodo di riferimento come segue:

• Ponte Adeguato, per il quale siano soddisfatte le verifiche prescritte dalle Norme Tecniche, utilizzando un tempo di riferimento come da vita nominale VN, tutti i fattori previsti dalle stesse NTC con l’unico sconto su γ_G modificabile con giudizio motivato, carichi da traffico come da schemi NTC.

• Ponte Operativo, per il quale siano soddisfatte le verifiche delle Norme Tecniche con fattori parziali per carichi e materiali relativi a un tempo di riferimento di 30 anni, carichi da traffico come da schemi NTC.

• Ponte Transitabile, adottando una riduzione dei carichi che possa essere garantita da opportune limitazioni del traffico. Quanto al tempo di riferimento, ad ulteriore sconto sui coefficienti parziali, esso non potrà essere superiore ai 5 anni specificando la programmazione dettagliata dei lavori per riportare il ponte a condizioni di adeguamento od operatività. I carichi da traffico possono essere scelti come segue:

• carichi come da NTC che riflettano delle restrizioni d’uso dell’opera che da luogo a ponte con Transitabilità 1;
• carichi secondo il Codice della Strada (Pesante, Intermedia, Leggera, Autoveicoli) che da luogo al ponte con Transitabilità 2.

Circa la valutazione dei fattori parziali di sicurezza dei carichi permanenti γ_G, delle azioni variabili (vento, traffico), i valori di progetto delle caratteristiche meccaniche dei materiali _fd e i fattori di sicurezza parziali dei materiali (γ_C, γ_S, γ_A, γ_V) troverete più ampia trattazione nella lettura della Guida scaricabile.

Un esempio di verifica di Livello 4 con MIDAS Civil

In questo esempio, che trovate interamente svolto nella Guida, ci si concentra sull’aspetto di gestione dei carichi mobili per la verifica di: 

- completa adeguatezza, 

- operatività, 

- transitabilità 1 e 2.

CARICHI MOBILI PER LA COMPLETA ADEGUATEZZA

La completa adeguatezza di un ponte significa che rispetta le condizioni di carico previste dalla normativa vigente.

Nel pacchetto di carichi predefiniti in Midas Civil questo carico è presente in un database ed è già compatibile con quello richiesto da norma.

Una volta selezionato, le 4 linee di carico vengono quindi associate al modello di calcolo.

Si ricercherà la disposizione delle corsie di carico che massimizzi la trave di bordo e successivamente tutte le altre travi.

TRANSITABILITÀ NTC 2018 (Immediata transitabilità 1) o TRASITABILITÀ AI MEZZI PESANTI

Si tratta di limitazioni di uso geometrico: si utilizzano gli schemi di carico secondo NTC con i coefficienti ridotti ma riducendo le corsie di carico a seguito dell’introduzione di un provvedimento preso.

Per esempio, senso unico di marcia e riduzione a 2 corsie. Il veicolo utilizzato sarà lo stesso utilizzato per l’operabilità, cioè ridotto.

MEZZI PESANTI

Il primo schema è quello corrispondente ad un autoarticolato a 5 assi da 440 KN per verificare la transitabilità ai mezzi pesanti

Con Midas Civil è possibile configurare carichi mobili di diverso tipo, nella sezione User Defined Vehicular Load. Impostando un veicolo di tipo “treno”, si dispone della configurazione richiesta dalle CdS, bisogna poi imputare il carico distribuito e i vari assi del tandem con distanza e valore, l’input è semplice. È comunque a disposizione uno script già pronto da importare nel software, basta richiederlo al supporto CSPFea.

Secondo le linee guida, gli schemi vanno estesi a tutte le corsie aperte. Inoltre, nel caso non vi siano delimitazioni fisiche insuperabili, vanno estese alle corsie di emergenza, e alle eventuali corsie di accesso. I carichi vanno disposti lungo entrambe le carreggiate dei due sensi di marcia e comunque nelle posizioni più sfavorevoli.

Vuoi approfondire la tematica dell’articolo? Scarica l’ebook gratuito sulla Sicurezza di Ponti secondo le Linee Guida 2020. 

¹ Infatti, non tutti i software BIM sono adatti alla modellazione dei ponti, caratterizzati da uno sviluppo marcatamente planimetrico lungo un “alignment” non generalmente rispettato, ma segmentato con elementi lineari (travi e soletta) scanditi da elementi puntuali (fondazione, pila, pulvino) che debbono assecondare il percorso stradale, l’orografia, gli ostacoli da superare, le esigenze strutturali, le esigenze cantieristiche e costruttive. Un interessante articolo è in Digital Modeling n°25 di Borin e Zanardi