Tecniche di indagine propedeutiche al consolidamento dei ponti ...

PONTI E VIADOTTIInterventi di ManutenzioneTecniche di indaginep ro p e d e u t i c h eal consolidamentodei ponti storiciIl miglioramento del comportamento statico dei pontiè argomento di grande attualità in Italia comea l l ’ e s t e ro. L’intervento di consolidamento è spessocondizionato da una conoscenza poco adeguatadel manufatto architettonico, per la mancanza dii n f o rmazioni e disegni originali. Tuttavia laricostruzione dello status ante il degrado è elementod e t e rminate per la corretta valutazione dello stato diconservazione e la definizione delle fasi operative.P resentiamo il caso di un ponte sull’Adda, checollega i comuni di Vaprio e Canonica D’Adda, le cuianalisi in situ hanno permesso di tarare al meglioil modello agli Elementi Finiti, necessario allavalutazione della staticità del ponte ed utile a definirei necessari interventi di ripristino.Il tema del consolidamento e del miglioramentodel comportamento statico delle strutture da ponteè attualmente di grande attualità. In questo contestoè di particolare interesse la definizione delle metodologieda adottarsi nel caso di interventi su pontistorici. Non infrequentemente, infatti, la conoscenzadi queste opere risulta inadeguata per la mancanza deidocumenti e dei disegni originali. Inoltre, la valutazionedello stato di conservazione e del livello di degradodella struttura costituisce premessa indispensabileper poter intervenire nel massimo rispetto del progettooriginale. Prima di iniziare la fase di progettazionedi un qualsiasi intervento è quindi opportuno procederecon una approfondita fase di indagini, che comprendeil rilievo geometrico dell’opera, l’esecuzionedi prove di laboratorio sui materiali prelevati in situ,nonché l’esecuzione di prove (statiche e/o dinamiche)della struttura in scala reale. Tali fasi d’indagine sonogeneralmente propedeutiche alla validazione di un modelload Elementi Finiti (E F) che sia riferimento aff i-dabile nella fase di verifica strutturale e di progettodi un eventuale ripristino.Bruno BriseghellaUniversità IUAV di VeneziaAndrea ComerlatiUniversità di PadovaNicola GallinoPolitecnico di MilanoCarmelo GentilePolitecnico di MilanoTobia ZordanUniversità IUAV di Veneziacasa editrice la fiaccola srlI 20123 MilanoVia Conca del Naviglio, 37Tel. 02/89421350Fax 02/894214841136 LE STRADE 10/2006

PONTI E VIADOTTIInterventi di Manutenzione231. Immagine delponte sull’Addaprogettato negli anni’50 da Giulio Krall acollegamento tra ipaesi di Vaprio (MI)e Canonica (BG)2. Estratto daidisegni originali dellasezione longitudinaledel ponte e dellapianta dell’impalcatoSovente, infatti, e specialmente nella valutazionedelle strutture esistenti, modelli E F anche molto raffinatinon riescono a riprodurre con sufficiente accuratezzale caratteristiche dinamiche modali (frequenzenaturali e modi propri di vibrare) dell’opera, a causadelle incertezze legate alla modellazione. Per diminuirela differenza fra il comportamento reale dellastruttura e quello previsto dal modello E F si possonoutilizzare i risultati di “analisi modali sperimentali” e f-fettuate sul ponte in esercizio. Lo scopo delle prove èquello di identificare i parametri modali del sistemai n v e s t i g a t o .Una volta tarato il modello di calcolo in base allecaratteristiche modali del manufatto a monte del consolidamento,sarà possibile procedere con il progetto,simulando l’effettiva efficacia degli interventi e ottimizzandogli stessi in termini di costi-benefici, nell’otticadella massima salvaguardia dell’esistente.Si illustra di seguito l’applicazione della metodologiasin qui delineata alle fasi di valutazione e di progettodi consolidamento di un ponte ad arco in c.a. deglianni ’50 progettato da Giulio Krall, uno dei più importantiprogettisti italiani del secolo scorso. Il ponte,di grande interesse e vincolato dalla Soprintendenza,è situato sul fiume Adda, nel Comune di Canonicad’Adda fra le province di Milano e Berg a m o .CONSIDERAZIONI STORICHEIl ponte in oggetto, avente sviluppo complessivodi circa 90 metri e larghezza massima di 12.6 metri,è stato progettato intorno alla metà degli anni 50dal Prof. Ing. Giulio Krall, ed è interamente realizzatoin calcestruzzo armato. Il ponte rappresenta unodei più espressivi esempi di ponti a trave Nielsen costruitisecondo la variante al metodo canonico propostoda Krall.La struttura si configura secondo lo schema staticodell’arco a via inferiore (fig. 1), ove l’impalcato, leggermenteobliquo, presenta una pendenza longitudinaledi circa il 2.5% ed è appeso tramite una serie di pendiniinclinati, a due grandi arcate ad asse parabolico; gliarchi portanti sono caratterizzati da una corda all’impo-sta di 90.0 m e da altezza in chiave di circa 14.5 m.Il manufatto oggi esistente sostituisce un ponte metallicocon la medesima tipologia e ubicato nel medesimosito dell’attuale. Resasi necessaria la sostituzionedel vecchio ponte in acciaio di fine Ottocento inseguito ai numerosi e non trascurabili segni di aff a t i-camento manifestati dalla struttura, nel 1950 vennebandito un concorso dagli Uffici Tecnici delle provincedi Milano e di Bergamo per la costruzione di unnuovo ponte di collegamento fra le due sponde dell’Addafra i paesi di Vaprio e Canonica d’Adda, concorsoche fu vinto dal progetto presentato da GiulioKrall per conto della Ferrobeton. Furono l’ingegnositàe l’abilità, non solo progettuale ma anche tecnica,di Krall che permisero alla Ferrobeton di aggiudicarsil’appalto. Ad i fferenza dei rivali, egli fu infatti in gradodi offrire una struttura più efficiente di quanto erastato richiesto. La percezione verso i fenomeni idraulicied una notevole sensibilità estetica, lo spinseroad orientarsi verso una soluzione costruttiva senza ilposizionamento di alcuna pila in alveo (figg. 2 e 3).METODOLOGIA ADOTTATAL’approccio metodologico al progetto di rinforzodella struttura ha comportato le seguenti fasi di avvici n a m e n t o .• Analisi visiva e valutazione difettologica sulla strutturaper determinare lo stato generale di salute dei diversisuoi componenti.• Rilievo geometrico dello stato di fatto, essendo la documentazionegrafica disponibile largamente incompletae relativa unicamente al progetto originale piuttostoche al manufatto realmente costruito.• Campagna di prove sperimentali sui diversi materialida costruzione, al fine di determinarne le esattecaratteristiche meccaniche dello stato di fatto dellas t r u t t u r a .• Caratterizzazione dinamica della struttura in condizioniambientali.• Prova di carico statica.L’insieme dei dati raccolti in tali indagini ha consentitosia di sviluppare un modello tridimensionale3. Estratto daidisegni originali dellasezione trasversale10/2006 LE STRADE 137

PONTI E VIADOTTIInterventi di Manutenzione4. Dettagliodell’erratoposizionamento/sigillatura dellecamicie protettivein corrispondenzaalle estremitàsuperiori deipendini5. L’apertura delleteste delle camicieprotettive di unodei pendini perl’ispezionedell’armaturaevidenzia lo statodi corrosione dellestesse6. Distaccodel copriferroin corrispondenzadi alcune sezionidell’arco7. Esempio diperforazione dellasoletta perconsentirel’introduzione ditelecamereall’interno dellastrutturadell’impalcato eottenereinformazioni sullefasi costruttivedell’operaad E F dell’opera sia di procedere ad una prima taraturadei parametri del modello al fine di pervenire allavalutazione degli interventi di consolidamento con unostrumento affidabile a disposizione.ANALISI VISIVA E VA L U TA Z I O N ED I F E T T O L O G I C ADallo stato di conservazione del ponte, appare chiarocome il principale intervento di manutenzione, e probabilmenteil solo che ha riguardato il manufatto in epocarecente, sia stata la sostituzione e il posizionamento dinuove camicie protettive esternamente al getto di boiaccaa protezione dell’armatura dei pendini (fig. 4).456TAB. 1. VALORI DEI PARAMETRI FISICI E MECCANICI DEL CESTRUZZOSTRUTTURALE DETERMINATI IN SITO ED IN LABORATORIOResistenza cubica Resistenza cubica Resistenza a compressione(indagine con sclerometro) (prove di pull-out) dei provini cilindrici prelevati[ M P a ] [ M P a ] [ M P a ]5 1 - 5 3 4 3 . 1 - 4 7 . 8 ≥ 3 9 . 27L’analisi visiva ha evidenziato, tra gli altri, i seguentiproblemi:• Errato posizionamento delle camicie in acciaio inox ecompleta assenza della protezione con boiacca dell’armaturametallica dei pendini in particolar modo in corrispondenzaal collegamento dei pendini con gli archi.In alcune di queste zone, a seguito della parziale rimozionedelle camicie, si è potuto rilevare come le barred’armatura presentino uno stato di corrosione talora preoccupante(fig. 5);• Distacco del copriferro in corrispondenza di alcune sezionidell’arco (fig. 6);• Armature affioranti per distacco del copriferro all’intradossodell’impalcato e in corrispondenza delle sezionid’imposta degli archi;RILIEVO GEOMETRICOIl rilievo geometrico ha incluso, oltre alla verifica dellecaratteristiche dimensionali generali dell’opera, il rilievodi dettaglio della geometria dei principali elementistrutturali. Inoltre, al fine di raccogliere il maggior numerodi informazioni possibile e cercare di identificarela successione delle fasi costruttive dell’opera, sono stateeffettuate perforazioni delle solette. Tali perforazioni , oltre a fornire indicazioni sulla geometria e la tipologiadell’impalcato, hanno consentito di introdurre una telecamerae evidenziare la presenza di casserature configuratein modo tale da suggerire la costruzione degli archi inuna fase successiva a quella dell’impalcato (fig. 7).PROVE SUI MAT E R I A L IPer ciò che riguarda la caratterizzazione meccanicadei materiali da costruzione, sono state eff e t t u a-te le seguenti operazioni:• scapitozzatura per rilievo dell’armatura;• prelievo barre di armatura e prove di laboratorio;• carotaggi trasversali e prove di laboratorio sui campioniprelevati;• determinazione della profondità di carbonatazione;• prove di p u l l - o u t;• prove ultrasoniche dirette;• prove sull’acciaio dei pendini.I valori di resistenza meccanica ottenuti con le varieprove dirette ed indirette sono riassunti in tab. 1.I valori di tab. 1, unitamente alle contenute profonditàdi carbonatazione rilevate, evidenziano una notevoleresistenza meccanica ed una buona compattezzadei calcestruzzi.Le caratteristiche meccaniche dell’acciaio in barra, determinatesperimentalmente con prove a trazione su spezzoniprelevati in sito, hanno fornito i seguenti valori:fy = 447 MPafu = 595 MPa138 LE STRADE 10/2006

PONTI E VIADOTTIInterventi di ManutenzioneP R O VA DINAMICAAl fine di approfondire la conoscenza sul comportamentostrutturale del manufatto sono state condotte,sia dalla società 4 E M M E sia dal Laboratorio Prove Materialidel Dipartimento di Ingegneria Strutturale ( D I S )del Politecnico di Milano, registrazioni della rispostadinamica in condizioni ambientali.La campagna ha compreso la registrazione, in 14stazioni di misura (fig. 8), della risposta del ponte all’eccitazioneassociata alle azioni ambientali (ventoe traffico veicolare) al fine di caratterizzare dinamicamentel’opera mediante la stima delle prime frequenzeproprie e delle forme modali associate.L’identificazione delle caratteristiche dinamiche delponte è stata eseguita mediante la tecnica nota in letteraturacome “F requency Domain Decomposition” o F D D( B r i n c k e r, Zhang & Andersen) e basata sulla decomposizionein valori singolari della matrice spettrale.Lo schema della strumentazione utilizzata, costituitada accelerometri piezoelettrici, è illustrato in fig. 9.Durante le indagini, condotte secondo quanto indicatodalla norma UNI 10985, la risposta del ponte è stata registratacon passo temporale pari a Dt=0.005s. La lunghezzadi ciascuna registrazione è stata di circa 60’.L’analisi dei dati registrati, in termini di accelerazione,ha condotto all’identificazione di numerosi modi principalidi vibrare, nell’ambito di frequenza 0-12Hz.I risultati dell’analisi in termini di frequenze propriepossono riassumersi attraverso le curve illustrate in figura10, dove è rappresentato l’andamento dei primi valorisingolari della matrice spettrale (la matrice contenentegli auto-spettri ed i cross-spettri) dei segnali registrati.Attraverso il diagramma di fig. 10, è possibile identificarele frequenze proprie direttamente dai valori di piccodel primo valore singolare; le deformate modali associatesono ricavate dai vettori singolari corrispondenti.In fig. 10 sono chiaramente identificati 11 picchiben definiti corrispondenti alle frequenze di 3.20, 3.44,4.02, 4.81, 5.27, 5.94, 6.88, 7.81, 9.06, 9.73 e 10.70Hz.In fig. 11 sono invece riportate schematicamente leforme modali individuate, facendo riferimento ai valoridegli spostamenti modali estratti dalle registrazioni in accelerazionee normalizzati al valore massimo.8L’analisi delle deformate modali evidenzia che iprimi due modi individuati corrispondono a deformateflessionali (V+); i due modi successivi sono invecedi tipo torsionale (V-). Seguono altri modi flessionali(5° e 7°) e torsionali (6° e 8°) mentre gli ultimi tremodi assumono forme più complesse, di tipo flessoto r s i o n a l e .P R O VA DI CARICO STAT I C AAcompletamento della campagna di indagini conoscitive,è stata effettuata una prova di carico statica(fig.12).Scopo della prova è stato quello sottoporre i pendinialla massima sollecitazione compatibile con leazioni accidentali di progetto previste per i ponti di pri-118. Alcune stazioni dimisura e, in primopiano, la centralina diacquisizione edelaborazione dati9. Schema didisposizione dellastrumentazione10. Identificazionedelle frequenzenaturali attraverso ivalori singolari dellamatrice spettrale91011. Rappresentazionedei modi propri divibrare identificatisperimentalmente10/2006 LE STRADE 139

PONTI E VIADOTTIInterventi di Manutenzione12. Provadi carico statica13. Rilevazionedell’allungamento delle barrecostituentii pendini14. Vistadel modello aglielementi finitidel ponte14ma categoria dal D M 4 Maggio 1990: “Criteri gene -rali e prescrizioni tecniche per la progettazione, ese -cuzione e collaudo dei ponti stradali”.Sotto i carichi menzionati sono stati misurati gliabbassamenti dell’impalcato e l’allungamento nellebarre d’acciaio costituenti i pendini (fig. 13).1312TAB. 2. CONFONTO TRA LE PRIME FREQUENZETEORICHE E SPERIMENTALI.M o d oFrequenza [Hz]Ti p o M i s u r a t a Modello E.F.V 1 + 3 . 20 3 . 26V 2 + 3 . 44 3 . 30V 1 - 4 . 02 3 . 88V 2 - 4 . 81 4 . 55V 3 + 5 . 27 5 . 42V 3 - 5 . 94 6 . 40V 4 + 6 . 88 7 . 66V 4 - 7 . 81 8 . 48MODELLAZIONE AGLI ELEMENTIF I N I T IPer l’analisi del comportamento strutturale dell’impalcatoè stato sviluppato un modello ad E F u t i l i z z a n d oil codice S T R A U S 7 (fig. 14).Al fine ottenere una descrizione il più dettagliata possibiledel comportamento strutturale dell’impalcato, l’implementazionedel modello ha richiesto l’accoppiamentodi diversi tipi di elementi:• Elementi “b e a m”per la rappresentazione delle travi dell’impalcato,dei traversi, dei controventi e degli archi;• Elementi “t r u s s”per la descrizione dei pendini che colleganogli archi all’impalcato;• Elementi “s h e l l” per la discretizzazione dellasoletta di impalcato, delle solette dei marciapiedie delle controsolette.Il ripristino della continuità fra le travi ela soletta è stato simulato mediante un collegamentorigido tra i nodi appartenenti alla linead’asse degli elementi trave ed i nodi appartenentiagli elementi bidimensionali di solettee controsolette. Per la discretizzazionedella struttura sono stati impiegati 6387 elementi“b e a m” e 20244 elementi “s h e l l”, per un totale di144090 incognite nodali.Considerato che a valle delle indagini condotte, unaparte delle residue incertezze riguarda (com’è usuale nellestrutture in c.a.) le caratteristiche elastiche del calcestruzzo,i risultati dell’analisi modale sperimentale relativiai primi 8 modi identificati sono stati utilizzatiper giungere ad una prima calibrazione del modello. Inparticolare, si è proceduto facendo variare il modulo elasticodell’intera struttura fra i valori di 32.0 e 42.0 G Pa(suggeriti dalle indagini di caratterizzazione dei materiali)con passo di 1000 M Pa e si è determinato il valore “o t-t i m a l e” del parametro indagato in modo da rendere minimala differenza tra le frequenze naturali identificatesperimentalmente e le corrispondenti grandezze restituitedal modello E F.Questa prima analisi conducead un valore ottimale delmodulo elastico di 38.0 G Pa ;in corrispondenza di tale valoresi ottiene la correlazionetra le frequenze naturali teoriche edosservate riassunta in tabella 2 e caratterizzatada differenze percentuali inferiori al 6%per i primi cinque modi. Tale risultato, seppur quantitativamentemigliorabile attraverso idonee procedure diidentificazione strutturale (con più parametri oggetto diaggiornamento), appare ingegneristicamente significativosia alla luce della buona corrispondenza tra le deformatemodali teoriche e sperimentali (il che rappresentaun’importante verifica delle principali assunzioniutilizzate nella formulazione del modello) siain quanto il modello è stato in grado predire, con buonaapprossimazione, quanto osservato nelle fasi dicarico della prova statica.C O N C L U S I O N IQuanto presentato mira a fornire un quadro metodologicoche consente un approccio consapevoleal consolidamento strutturale dei ponti con valore stori c o - m o n u m e n t a l e .La metodologia esaminata, a monte dell’eventualeprogetto di consolidamento strutturale, prevede diprocedere attraverso:• analisi visiva e valutazione difettologica;• rilievi architettonici e strutturali;• prove finalizzate alla determinazione delle caratteristichemeccaniche dei materiali;• caratterizzazione dinamica della struttura;• prova di carico statica.La procedura proposta consente di ottenere la calibrazionedi un modello agli elementi finiti in grado di:• riprodurre in modo soddisfacente il comportamentodello stato di fatto della struttura;• individuare gli interventi strettamente necessari a ripristinareil desiderato livello di sicurezza;• fornire una previsione attendibile del comportamentodella struttura a valle degli interventi. ■Gli autori desiderano ringraziare l’Ing. Renato Stilliti,dirigente del Settore Viabilità e Protezione Civiledella Provincia di Bergamo e l’Ing. Agostino Maninetti,responsabile del settore ponti della Provinciadi Bergamo per l’indispensabile supportoalle attività descritte nell’art i c o l o .Un ringraziamento inoltre all’Ing. Luciano Ceschele all’Ing. Lorenzo Imperato di 4Emme Service SpA.Infine un ringraziamento part i c o l a re ai tecnicidel Laboratorio di Prove del Politecnico di MilanoM a rco Antico e Marco Cucchi.140 LE STRADE 10/2006