Ponti esistenti in zona siamica

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1 Ponti esistenti in zona siamica Criteri generali per la valutazione della sicurezza sismica di ponti esistenti Obiettivo della verifica sismica dei ponti esistenti è la determinazione del livello di rischio associato: 1) alla perdita di operatività 2) al danneggiamento severo della struttura 3) al collasso Razionalizzazione degli interventi: 1) riparazione 2) sostituzione 3) monitoraggio Scelta dei ponti che necessitano interventi con maggiore urgenza, poiché soggetti ad un rischio più elevato Pianificazione economica degli interventi 1

2 Criteri generali per la valutazione della sicurezza sismica di ponti esistenti Verifica sismica dei ponti esistenti Fase 1 Indagine preliminare sul patrimonio di strutture esistenti e valutazione del grado di priorità, in funzione del livello di rischio associato a ciascuna struttura Fase 2 Analisi strutturale di dettaglio Fase 3 Programmazione interventi Criteri generali per la valutazione della sicurezza sismica di ponti esistenti Fase 1 - Valutazione del grado di priorità Identificazione delle strutture vulnerabili e classificazione in funzione del grado di priorità degli interventi necessari L approccio più rigoroso prevede l esecuzione di un analisi costi-benefici Nella pratica si dà una stima del rischio relativo di un ponte rispetto agli altri sulla base dei seguenti fattori: 1) sismicità del sito di costruzione 2) vulnerabilità della struttura 3) Importanza della struttura Pianificazione ottimale delle risorse economiche da allocare per la gestione del patrimonio di ponti esistenti 2

3 Criteri generali per la valutazione della sicurezza sismica di ponti esistenti Fase 1 - Valutazione del grado di priorità Sismicità Parametro specifico del sito su cui sorge il ponte: è definito in base alla forma dello spettro di risposta del terremoto atteso, della PGA, e della probabilità annuale di eccedenza, della tipologia del terreno di fondazione Vulnerabilità Rappresenta la suscettibilità al danneggiamento o al collasso della costruzione causato dall azione sismica, e dipende principalmente dalla tipologia strutturale, dall età del ponte, dai dettagli costruttivi Importanza Parametro che dipende dalle conseguenze derivanti dal danneggiamento o dal collasso di un ponte: è legato al volume di traffico, al tipo di attraversamento, al mantenimento dell operatività in vista del passaggio di veicoli di soccorso Criteri generali per la valutazione della sicurezza sismica di ponti esistenti Fase 1 - Valutazione del grado di priorità 3

4 Quadro normativo vigente 1) Norme Tecniche per le Costruzioni, D.M. 14/01/2008 2) Istruzioni per l applicazione delle Norme Tecniche per lecostruzioni, di cui al D.M. 14/01/2008. Supplemento ordinario n. 27 alla Gazzetta Ufficiale del 16/02/2009 3) Ordinanza del Presidente del Consiglio dei ministri n ) Eurocode , Concrete Bridges Design and Detailing Rules 5) Eurocode , Design of structures for earthquake resistance. Bridges. 6) Linee guida e manuale applicativo per la valutazione della sicurezza sismica e il consolidamento dei ponti esistenti in C.A. (Reluis - Marzo 2009) Criteri generali per la valutazione della sicurezza sismica di ponti esistenti Nel caso dei ponti esistenti è ammesso verificare i soli Stati Limite Ultimi Stato limite di salvaguardia della vita (SLV): A seguito del terremoto la costruzione subisce rotture e crolli dei componenti non strutturali e impiantistici, e significativi danni dei componenti strutturali cui si associa una perdita significativa di rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali; la costruzione conserva invece una parte della resistenza e rigidezza per azioni verticali e un margine di sicurezza nei confronti del collasso per azioni sismiche orizzontali (DM2008, par ) Stato limite di collasso (SLC): A seguito del terremoto la costruzione subisce gravi rotture e crolli dei componenti non strutturali e impiantistici, e danni molto gravi dei componenti strutturali; la costruzione conserva ancora un margine di sicurezza per azioni verticali e un esiguo margine di sicurezza nei confronti del collasso per azioni orizzontali (DM2008, par ) 4

5 Criteri generali per la valutazione della sicurezza sismica di ponti esistenti Nel caso dei ponti strategici, ponti di classe d uso III e IV, occorre verificare che sia mantenuta la completa transitabilità anche a seguito di un evento sismico. Per tale ragione si procede alla verifica dello Stato limite di danno (SLD) a seguito del terremoto la costruzione nel suo complesso, includendo gli elementi strutturali, quelli non strutturali, le apparecchiature rilevanti alla sua funzione, subisce danni tali da non mettere a rischio gli utenti e da non compromettere significativamente la capacità di resistenza e di rigidezza nei confronti delle azioni verticali ed orizzontali, mantenendosi immediatamente utilizzabile pur nell interruzione d uso di parte delle apparecchiature. (DM2008, para 3.2.1) Criteri generali per la valutazione della sicurezza sismica di ponti esistenti 5

6 Criteri generali per la valutazione della sicurezza sismica di ponti esistenti Criteri generali per la valutazione della sicurezza sismica di ponti esistenti 6

7 Informazioni per la valutazione della sicurezza Le indagini conoscitive sono da indirizzare in modo prevalente: alle sottostrutture (pile e spalle) alle fondazioni ai sistemi di vincolo e interconnessione tra gli elementi strutturali (appoggi, giunti, etc) Geometria dell opera nel suo stato attuale Disegni costruttivi originali Disegni di contabilità (maggiormente attendibili) Rilievo completo della geometria Indagini conoscitive a campione sulle fondazioni Dettagli costruttivi (disposizione e quantità delle armature) Disegni costruttivi originali Disegni di contabilità (maggiormente attendibili) Prelievo di un numero di saggi che consenta la determinazione delle armature presenti in un numero di sezioni sufficiente per costruire un modello strutturale adeguato al tipo di analisi e alle successive verifiche Dati necessari per la valutazione della sicurezza Proprietà meccaniche dei materiali Indicazioni iniziali di progetto Risultati di prove sperimentali eseguite all atto del collaudo strutturale o successivamente ad esso PILE E SPALLE Calcestruzzo Prelievi di campioni da sottoporre a prove di laboratorio Prove di tipo non distruttivo eseguite a più larga scala sono un utile complemento ma non possono essere utilizzate in sostituzione di quelle distruttive Acciaio in assenza di dati sperimentali adeguati, è consentito far riferimento alle caratteristiche del materiale prescritto in sede di progetto previa limitata verifica a campione dell effettivo utilizzo dello stesso. IMPALCATI: è sufficiente la verifica del loro buono stato di conservazione, anche senza rilevazioni sperimentali, se ritenute non necessarie dal progettista 7

8 Dati necessari per la valutazione della sicurezza LC1: conoscenza limitata Livelli di conoscenza LC2: conoscenza adeguata LC3: conoscenza accurata Dati necessari per la valutazione della sicurezza LC1: conoscenza limitata Livelli di conoscenza LC2: conoscenza adeguata LC3: conoscenza accurata Si deve in generale acquisire il livello LC3, salvo casi eccezionali per i quali, su indicazione della Committenza, è ammesso acquisire il livello LC2 8

9 Criteri di modellazione strutturale Il modello strutturale deve riflettere lo stato attuale della struttura o quello in cui essa si troverà a seguito di interventi migliorativi che saranno messi in atto, quali la solidarizzazione delle solette, o di allargamento per l adeguamento funzionale, etc. Il modello strutturale deve poter descrivere tutti i gradi di libertà significativi caratterizzanti la risposta dinamica e riprodurre fedelmente le caratteristiche di inerzia e di rigidezza della struttura, e di vincolo degli impalcati Nel caso dei ponti esistenti il modello strutturale può essere calibrato sulla base dell effettivo comportamento dinamico, che si può rilevare mediante misure in situ e caratterizzare attraverso tecniche di identificazione dinamica Criteri di modellazione strutturale Sperimentazione e Identificazione Dinamica Modello ad elementi finiti Frequenze modali sperimentali 9

10 Criteri di modellazione strutturale Deformate modali sperimentali Criteri di modellazione strutturale Materiali: Nel caso in cui l analisi sia di tipo non lineare, il modello strutturale deve poter seguire l evolversi dello stato tensionale e deformativo della struttura oltre la fase elastica, prodotto dalla formazione di un numero crescente di zone plasticizzate. Calcestruzzo Acciaio 10

11 Materiali: Criteri di modellazione strutturale Calcestruzzo Acciaio Metodi di analisi Ponti isostatici con pile a fusto unico Il modello di riferimento è costituito da una mensola verticale a massa distribuita lungo l altezza sulla quale grava la massa del pulvino e dell impalcato. In direzione trasversale all asse del ponte ogni pila costituisce un oscillatore indipendente 11

12 Metodi di analisi Ponti isostatici con pile a fusto unico Il modello di riferimento è costituito da una mensola verticale a massa distribuita lungo l altezza sulla quale grava la massa del pulvino e dell impalcato. In direzione trasversale all asse del ponte ogni pila costituisce un oscillatore indipendente Massa efficace: Altezzza: Metodi di analisi Ponti isostatici con pile a fusto unico Il modello di riferimento è costituito da una mensola verticale a massa distribuita lungo l altezza sulla quale grava la massa del pulvino e dell impalcato. In direzione trasversale all asse del ponte ogni pila costituisce un oscillatore indipendente 12

13 Metodi di analisi Ponti isostatici con pile a fusto unico Il modello di riferimento è costituito da una mensola verticale a massa distribuita lungo l altezza sulla quale grava la massa del pulvino e dell impalcato. In direzione trasversale all asse del ponte ogni pila costituisce un oscillatore indipendente Metodi di analisi Ponti isostatici con pile a fusto unico Il modello di riferimento è costituito da una mensola verticale a massa distribuita lungo l altezza sulla quale grava la massa del pulvino e dell impalcato. In direzione longitudinale, nell ipotesi che siano previsti dei ritegni sismici, il sistema è ancora a un grado di libertà, caratterizzato dalla somma delle masse afferenti alle singole pile e dalla forza di richiamo somma delle forze delle singole pile 13

14 Metodi di analisi Ponti isostatici con pile a fusto unico Analisi statica non lineare semplificata Metodi di analisi : Ponti iperstatici Regolari Analisi multi-modale con spettro di risposta elastico Verifiche dei meccanismi/elementi duttili in termini di duttilità Ponti iperstatici Verifiche dei meccanismi/elementi fragili in termini di resistenza Non regolari Analisi multi-modale con spettro di risposta ridotto mediante q = 1.5 Verifiche di tutti i meccanismi ed elementi in termini di resistenza Analisi statica non-lineare (push-over) Analisi dinamica non-lineare 14

15 Metodi di analisi : Ponti iperstatici Regolarità della domanda inelastica Rapporto tra domanda e capacità nell i-esimo elemento Ponte regolare Le verifiche degli elementi sono eseguite in termini di capacità deformativa per i meccanismi/elementi duttili e di resistenza per quelli fragili Metodi di analisi : Ponti iperstatici Analisi multimodale con spettro ridotto Riduzione attraverso il fattore di struttura q (D.M. 14/01/2008, ) Il valore massimo utilizzabile per q è pari a 1.5 le verifiche sono di resistenza per tutti i meccanismi/elementi I valori delle resistenze si calcolano come nelle situazioni non sismiche 15

16 Metodi di analisi : Ponti iperstatici Analisi statica non lineare mono-modale Applicabile quando un singolo modo di vibrazione è caratterizzato da una massa partecipante pari o superiore all 80% Applicazione alla struttura un sistema di forze di intensità crescente M: Matrice delle masse φ : deformata del primo modo di vibrare, normalizzata ponendo uguale a 1 la componente corrispondente al grado di libertà di controllo Metodi di analisi : Ponti iperstatici Analisi statica non lineare mono-modale Il risultato dell analisi viene espresso in termini di curva taglio alla base spostamento in sommità 16

17 Metodi di analisi : Ponti iperstatici Analisi statica non lineare mono-modale Spostamento di snervamento del sistema bilineare equivalente Rigidezza di snervamento del sistema bilineare equivalente Periodo di snervamento del sistema bilineare equivalente Domanda di spostamento della struttura Domanda di spostamento del sistema bilineare Verifica Confronto tra la domanda di duttilità e la capacità Controllo che le forze di taglio siano minori delle rispettive resistenze Metodi di analisi : Ponti iperstatici Analisi statica non lineare multi-modale Effettuazione dell analisi modale e selezione dei modi significativi Per ciascun modo selezionato effettuazione dell analisi statica non lineare mono-modale Combinazione delle grandezze di risposta Verifica Confronto tra la domanda di duttilità e la capacità Controllo che le forze di taglio siano minori delle rispettive resistenze Analisi dinamica non lineare Integrazione delle equazioni del moto su un modello non-lineare della struttura, soggetto ad un adeguato numero di accelerogrammi naturali, simulati o artificiali spettrocompatibili 17

18 Criteri di intervento I ponti esistenti maggiormente vulnerabili all azione sismica sono quelli non progettati per l assorbimento delle azioni orizzontali di tipo sismico Alcuni dei principali criteri di rinforzo sismico dei ponti sono finalizzati a: Nessun Intervento Aumentare la resistenza Aumentare la capacità di sviluppare spostamenti (Displacement Capacity) Limitazione delle Forze Modifica della Risposta Strutturale Miglioramento delle caratteristiche del terreno di fondazione (Ground Improvement) Ricostruzione parziale Demolizione e Ricostruzione dell opera Criteri di intervento 18

19 Elementi strutturali oggetto di intervento: Criteri di intervento Appoggi: in genere sono stati progettati per assorbire le sole azioni verticali Giunti e Slitte degli appoggi : in genere sono stati dimensionati per le azioni termiche e per il ritiro del calcestruzzo Pile: possono presentare diverse criticità, tra cui la mancanza di confinamento alla base, insufficiente armatura longitudinale e trasversale, insufficiente sovrapposizione delle barre di armatura longitudinale con le riprese dalla fondazione, instabilità delle barre longitudinali di armatura Spalle: i maggiori problemi sono relativi ai meccanismi di scorrimento alla base, capacità portante Fondazioni: non risultano in genere idonee all assorbimento delle forze orizzontali provenienti dalla struttura in condizioni sismiche; nel caso di fondazioni su pali è possibile arrivare allo sfilamento degli stessi; Interventi sugli appoggi Sostituzione dell appoggio con un dispositivo in grado di assorbire le reazioni indotte dall azione sismica Valutazione della capacità dei baggioli e dei pulvini a trasferire le azioni sugli appoggi armature localizzate in corrispondenza degli appoggi per la diffusione delle forze armature orizzontali necessarie a riportare gli sforzi alla pila aggiunta di precompressione con barre Appoggi in elastomero armato realizzati con mescole ad alto smorzamento (10%- 15%), oppure con anima in piombo (smorzamento viscoso equivalente pari a circa il 30%) 19

20 Giunti e Slitte degli appoggi 20

21 Giunti e Slitte degli appoggi Giunti e Slitte degli appoggi Estensione delle slitte d appoggio 21

22 Aumento della capacità resistente Interventi sulle pile Aggiunta di una camicia esterna in calcestruzzo dotata di armatura integrativa: leggera idrodemolizione della superficie esterna della pila posizionamento delle nuove armature longitudinali e trasversali esecuzione dei fori necessari all ancoraggio dell armatura di collegamento fra il vecchio calcestruzzo ed il nuovo calcestruzzo posizionamento dell armatura di collegamento e successiva sigillatura delle armature di cucitura getto di un nuovo strato di calcestruzzo Aumento del confinamento Incamiciatura in acciaio o (per sezioni circolari) in fibre di carbonio sezioni rettangolari Interventi sulle pile Confinamento con cavi Incamiciatura in c.a. Incamiciatura acciao. 22

23 Interventi sulle pile Interventi sulle pile 23

24 Interventi sulle pile Interventi sulle pile Incremento della rigidezza mediante travi di collegamento Riduzione delle azioni sismiche trasmesse alla trave 24

25 Interventi sulle pile Inserimento setti in c.a. Interventi sulla sovrastruttura Riduzione delle sollecitazioni nell impalcato 25

26 Interventi sulle fondazioni Aumento della stabilità Ancoraggio della fondazione attraverso tiranti nel terreno o nei pali di fondazione Interventi sulle fondazioni Aumento della stabilità Aumento delle dimensioni della fondazione 26

27 Interventi sulle fondazioni Aumento della resistenza per sollecitazioni flessionali e di taglio Messa in opera di uno strato superiore di elevato spessore in calcestruzzo armato, opportunamente collegato alla fondazione esistente Precompressione mediante cavi posttesi, in fori orizzontali realizzati nello spessore della fondazione Interventi sulle fondazioni 27

28 Interventi sulle fondazioni Interventi sulle spalle Garantire la sicurezza nei confronti dei meccanismi di corpo rigido Incremento di capacità portante (inserimento di armatura integrativa) Incremento della sicurezza nei confronti dello scorrimento (realizzazione di tiranti attivi o passivi) 28

29 Interventi sulle spalle 29