Inprossimità del confine di Stato, il tracciato dell Autostrada

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1 Rinforzo strutturale dell impalcato del viadotto Colle Isarco Ponti & Viadotti Leggi i contenuti multimediali su Segui le istruzioni di pag. 4. INCREMENTO DEL COEFFICIENTE DI SICUREZZA MEDIANTE IL CONSOLIDAMENTO STRUTTURALE DELLE TRAVATE A CASSONE TIPO NIAGARA PER MEZZO DI CAVI INTEGRATIVI DI PRECOMPRESSIONE Carlo Costa* Walter Pardatscher** Inprossimità del confine di Stato, il tracciato dell Autostrada del Brennero (A22) attraversa un ampia vallata per tramite di un viadotto in calcestruzzo armato precompresso, dotato, in corrispondenza dell incisione più profonda, di una campata della luce di 163 m, alta 100 m sul fondo valle, raccordata alla restante parte del viadotto con due luci di 91 m. Delle opere d arte presenti sul tratto alpino, il viadotto Colle Isarco è certamente la più rilevante. Non solo: tra le costruzioni in calcestruzzo armato precompresso, l opera in oggetto è certo un eccellenza tecnica di livello internazionale. 1. Un immagine storica della fase costruttiva Progettato tra gli anni 1968 e 1969, il manufatto è di fondamentale importanza per la percorribilità del Corridoio 1, direttrice Nord-Sud che mette in comunicazione l Europa intera con i Paesi del Nord Africa e del vicino Medio Oriente. Lungo tale direttrice si snoda infatti, in posizione centrale, il tracciato A22, che con i suoi 314 km contribuisce a collegare i mari del Nord al Mediterraneo. Le caratteristiche dell opera Lungo i suoi m, il viadotto Colle Isarco si articola in 13 campate aventi luce da 45,70 a 163,00 m. La quota media del piano viabile è di m sul livello del mare, mentre l altezza massima sul fondo valle è di 110 m. L altezza della struttura in corrispondenza delle pile varia tra 21 e 87 m. La sovrastruttura del viadotto è formata da due impalcati, uno per ciascuna carreggiata autostradale, costruiti in calcestruzzo armato precompresso, uguali ed affiancati l uno all altro. La larghezza complessiva del viadotto è di 22,10 m. La singola carreggiata è larga 10,30 m. La struttura del viadotto ha la particolarità di essere stata realizzata mediante un avanzamento a sbalzo dei conci con maturazione in opera. Tale soluzione costruttiva è stata resa possibile realizzando la precompressione delle membrature in calcestruzzo armato per fasi successive con l utilizzo di barre Dywidag post-tese. Il sistema costruttivo scelto, particolarmente ardito, se da un lato ha consentito di raggiungere le rilevanti luci dell opera, dall altro ha avuto come conseguenza il manifestarsi continuo di deformazioni lente di tipo viscoso, sempre mantenute sotto monitoraggio continuo mediante livellazioni. 2

2 Il sistema statico delle tre campate di maggior luce (C7 - C8 - C9) è quello di una travata Gerber tipo Niagara : due travi a cassone appoggiate su due pile coprono le due campate con luce di 91 m e, protendendosi a sbalzo per 59 m oltre gli appoggi sulle pile interne, sostengono con selle Gerber una travata sospesa della luce di 45 m. Gli impalcati delle due campate laterali bilanciano dunque il peso dell impalcato di quella centrale. Ciascuno dei due impalcati è formato da due travi a cassone lunghe 166,50 m, da travate isostatiche con luce di 45,00 m e dalla sovrastruttura di sei pile; tale sovrastruttura è anch essa configurata a cassone ed è lunga 33,00 m, per ogni pila. Le due travi a cassone lunghe 166,50 m sono formate ciascuna da due nervature longitudinali dello spessore di 40 cm, da una soletta superiore dello spessore di 26 cm, da una soletta inferiore con spessore variabile tra 15 cm e 1 m, da due setti trasversali ubicati in corrispondenza delle pile, da setti di testata e da due setti di campata. L altezza massima del cassone è di 11 m, in corrispondenza dell appoggio sulla pila interna; quella minima è di 2,60 m, in corrispondenza delle selle. All interno delle nervature longitudinali e all interno delle solette corrono barre di precompressione del tipo Dywidag che precomprimono i cassoni, sia in senso longitudinale sia in senso verticale. In vicinanza delle selle la soletta è precompressa da barre trasversali. Anche i setti, a meno di quelli ubicati in corrispondenza del dente inferiore delle Gerber, sono precompressi trasversalmente; i setti di maggiore altezza sono precompressi anche verticalmente. Le travate sospese della luce teorica di 45 m sono costituite da due nervature longitudinali, con sezione a doppio T, collegate superiormente dalla soletta, da tre traversi di campata e da due traversi di testata. L altezza totale della travata è di 3,20 m in mezzeria e di 2,50 m agli appoggi. Le travi sono precompresse longitudinalmente da cavi post-tesi formati con tondini in acciaio armonico del diametro di 7 mm. La soletta superiore e i traversi sono precompressi trasversalmente con barre del diametro di 32 mm. Gli interventi di risanamento eseguiti in passato Già a partire dagli anni Ottanta, e nel corso degli anni Novanta, il viadotto è stato oggetto di numerosi interventi di manutenzione volti a ripristinarne le caratteristiche statico-funzionali originarie, quali il rifacimento dei giunti di dilatazione, demolizioni e ripristini di porzioni di calcestruzzo armato precompresso, consolidamenti dell estradosso mediante impregnazione con polimeri, ripristino dei cordoli e sostituzione dei sicurvia, sollevamento delle testate e sostituzione degli appoggi, e così via. Un ultimo intervento risale all autunno 2007, in occasione del quale l opera è stata oggetto di vasti lavori di demolizione e di ricostruzione del calcestruzzo corticale superiore della soletta in carreggiata Sud, per una lunghezza di circa 50 m, in corrispondenza di ciascuna delle due pile maggiori. Le demolizioni eseguite hanno comportato, in punti, l affioramento delle barre di precompressione ubicate nello strato superiore della soletta: in 680 casi si è rilevata la presenza di corrosione, mentre, in soli tre casi, si è evidenziata la rottura delle barre. Controlli eseguiti in altri intervalli di tempo hanno condotto a risultati analoghi. Il monitoraggio dell opera Nel biennio 2007/2008, il viadotto Colle Isarco è stato anche oggetto di un monitoraggio dinamico permanente seguito da analisi spettrali della struttura, analisi vibrazionali e di smorzamento, nonché da simulazioni numeriche agli elementi finiti, che hanno consentito di valutare le condizioni di vincolo e della capacità portante reale della struttura; è stata inoltre condotta una mappatura del potenziale di corrosione delle armature metalliche della soletta ed un monitoraggio strutturale. Il monitoraggio dinamico In sintesi il monitoraggio dinamico condotto sul viadotto Colle Isarco è così schematizzabile: campagna di misurazioni con sistema di monitoraggio delle vibrazioni indotte dal traffico autostradale anziché con sistemi classici che adottano carichi noti; determinazione della capacità portante e localizzazione delle potenziali zone problematiche sulla base del comportamento dinamico (frequenze proprie, modalità di vibrazione, distribuzione dello smorzamento in direzione longitudinale ed intensità di vibrazione) a partire da un modello FEM; sistema di monitoraggio permanente per ogni carreggiata: grande quantità di dati nel lungo periodo per verificare la stabilità delle frequenze proprie e la loro variazione in funzione della temperatura e del traffico. Il monitoraggio ha evidenziato delle buone condizioni strutturali, ma un elevata sensibilità alle vibrazioni dell opera a causa dello schema statico con particolare attenzione alle zone delle travi appoggiate, specialmente in carreggiata Sud (elevata variazione delle frequenze nelle trend cards e un incremento dei valori nella zona di transizione dalle mensole alle travi appoggiate). La mappatura del potenziale di corrosione delle armature metalliche della soletta Nell autunno del 2008 è stata eseguita la mappatura del potenziale di corrosione delle armature metalliche sull intera superficie della soletta degli impalcati che coprono le tre campate di maggior luce. In particolare, mediante metodi elettrochimici che misurano la differenza di potenziale tra le armature e un elettrodo di riferimento, è stato valutato lo stato di corrosione delle armature nel calcestruzzo (la corrosione è in atto in corrispondenza dei punti in cui la misura di potenziale manifesta i valori più negativi). Tale studio ha mostrato il pericolo di corrosione per circa il 20% delle barre di precompressione longitudinale nelle tre campate di maggior luce. L intervento di mappatura è stato inoltre accompagnato da una campagna d indagine, condotta da Ricercatori dell Università di Stoccarda, volta a sottoporre a verifica sperimentale una procedura d individuazione della presenza di barre di precompressione tranciate all interno del calcestruzzo. Prove meccaniche ed analisi metallurgiche compiute nei laboratori dell università tedesca su alcuni campioni di acciaio asportati hanno successivamente chiarito come l azione esterna pericolosa per l integrità delle barre di precompressione sia prevalentemente dovuta ai cloruri, essendosi escluso il pericolo di infragilimento da idrogeno. 3

3 Il monitoraggio strutturale Le strutture del viadotto sono state altresì oggetto di un approfondito monitoraggio così schematizzabile: utilizzo di sensori a fibra ottica per le misure di deformazione: 40 del tipo a reticolo di Bragg per ciascun cassone; strumenti inclinometrici posizionati in punti fondamentali per lo studio del comportamento flessionale che hanno lo scopo di fornire un segnale elettrico legato alla rotazione rilevata; strumenti ad emissione di raggi laser ad alta precisione e rilevatori continui di segnale disposti sugli estremi opposti per la misura diretta delle frecce delle mensole; per gli appoggi più sollecitati (in corrispondenza dei giunti di dilatazione) vengono registrati in maniera continuativa i carichi applicati sugli appoggi per mezzo di celle di carico; trasduttori di spostamento lineare: rilevazione in continuo dell apertura dei giunti di dilatazione lungo l asse longitudinale del viadotto e delle rotazioni dei dispositivi d appoggio in direzione longitudinale; trasduttori di temperatura: misura in continuo delle temperature degli impalcati, per correlarle alle deformazioni rilevate. 2A. e 2B. La disposizione schematica della strumentazione costituita da sensori a fibra ottica (2A) e l analisi del comportamento flessionale (2B) delle travate Niagara La necessità del nuovo intervento Nelle stagioni invernali le condizioni meteorologiche tipiche della zona in cui è ubicato il viadotto Colle Isarco costringono a fare ampio uso di sali disgelanti. 3. Le barre di precompressione sono connotate da corrosione generalizzata e dalla presenza di profondi alveoli (spesso presenti, ove si verifichi un intensa azione progressiva dei cloruri) e di fratture Questi, sciogliendosi, liberano ioni di cloro che, in presenza di lesioni dello strato impermeabilizzante o di altre singolarità, possono progressivamente diffondersi nel calcestruzzo, fino a raggiungere le armature metalliche. È noto che i cloruri costituiscono uno dei più pericolosi motivi di danneggiamento delle armature presenti nel conglomerato, distruggendone prima il sottile film di ossidi che le protegge e consentendone poi la corrosione, cui seguono la frattura e il distacco di lamine di calcestruzzo, per l azione espansiva della ruggine. In quattro decenni di esercizio tali anomalie si sono potute riscontrare sulla soletta del viadotto nel corso dell esecuzione di numerosi interventi di riparazione locale. Le analisi chimiche condotte sui campioni di conglomerato asportati nelle zone interessate dai danneggiamenti hanno quasi sempre evidenziato la presenza di un elevato tenore di cloruri. Per quanto poche siano state le barre riscontrate interrotte nella propria continuità, anche se altre sono risultate caratterizzate da incipiente corrosione superficiale, i numerosi interventi di consolidamento corticale eseguiti sulla superficie superiore della soletta hanno necessariamente comportato l asportazione del calcestruzzo degradato presente nell intorno delle barre stesse. Simili interventi presentano un significativo effetto strutturale: ove infatti una barra venga, anche temporaneamente, svincolata del calcestruzzo, si verificano variazioni dello stato di primitiva precompressione della struttura, e, nel caso in esame, tali variazioni sono peggiorative. L insieme di tali interventi più o meno ampi, eseguiti a macchia di leopardo, ha quindi comportato un ulteriore indeterminatezza delle attuali condizioni statiche del viadotto. I risultati acquisiti delle molteplici analisi condotte hanno inoltre portato a ritenere che, negli anni a venire, una percentuale non trascurabile delle barre di precompressione longitudinale sia esposto al pericolo di arrivare in condizioni di corrosione, ove non si intervenga con appropriati lavori di protezione corticale della soletta o con altri provvedimenti di comparabile efficacia, comportando una riduzione del coefficiente di sicurezza della travata. 4

4 Stante poi le caratteristiche tecniche del viadotto, conseguenti alla tecnologia costruttiva adottata, la redazione di un qualsiasi progetto di ripristino dello stesso è risultata molto complessa in quanto va ad interagire con gli stati di precompressione esistenti. In virtù di tali complicazioni, tale progetto è stato preceduto dalla vasta campagna di analisi e monitoraggio prima illustrata, che ha consentito di approfondire notevolmente la conoscenza delle strutture del viadotto e del loro comportamento tenso-deformativo. 4. La situazione attuale: il rapporto tra momento flettente resistente allo SLU e momento di calcolo (D.M. 2008) in funzione di differenti percentuali di armatura di precompressione superiore residua 5A. e 5B. Le sezioni trasversali del sistema di precompressione esterna I lavori previsti in progetto In virtù delle problematiche evidenziate, è stato pianificato e progettato un intervento di consolidamento e rinforzo strutturale del viadotto costituito dalla realizzazione di una precompressione esterna delle campate a cassone di maggior luce, dal risanamento dell estradosso del ponte (soletta, cordoli, impermeabilizzazione, ecc.), dalla sostituzione dei giunti di dilatazione e dall intervento di risanamento delle superfici inferiori del viadotto. Il consolidamento strutturale degli impalcati a cassone L intervento di rinforzo degli impalcati a cassone delle travate Gerber tipo Niagara sarà eseguito mediante la posa di cavi integrativi esterni di precompressione longitudinale. In particolare, la precompressione esterna è impostata all intradosso della soletta superiore in modo da massimizzare il braccio della pretensione e viene estesa all intera struttura principale così da coprire efficacemente tutta la travata e non solo la parte a cavallo della pila principale. Il tracciato dei cavi è praticamente rettilineo ed è stato deviato solo nella parte compresa tra le due pile in modo da seguire l andamento delle sollecitazioni. Si utilizzano cavi ritarabili e sostituibili, composti da trefoli inguainati e ingrassati tipo dyform con testate certificate del tipo TTM. I cavi integrativi, 16 per ognuno dei cassoni, sono formati da 19 trefoli (12 cavi) oppure da 15 trefoli (quattro cavi). La pretensione è calcolata per un tiro dei cavi a rilassamento scontato di 220 kn/trefolo. Per limitare la precompressione in testata, sei cavi 6. L andamento longitudinale del sistema di precompressione esterna 5

5 sono stati ancorati in campata, in modo da ottenere un migliore andamento della precompressione aggiuntiva rispetto alla sollecitazione flettente. Le verifiche strutturali di quanto previsto in progetto e delle condizioni di sollecitazione e di deformazione della struttura nel suo complesso, sono state eseguite mediante modelli tridimensionali ad elementi finiti, realizzati con il programma di calcolo STRAUS7. È stato innanzitutto predisposto un modello globale dell impalcato, tarato e validato ponendo a confronto i risultati ottenuti con il calcolo numerico, sia con riferimento a quelli teorici attesi sia alle deformazioni reali misurate sull opera. Mediante tale modello è stato quindi possibile sintetizzare geometricamente ed analizzare nel complesso le risposte della struttura sotto l azione di tiro dei cavi integrativi previsti in progetto. Successivamente sono stati sviluppati modelli parziali per analizzare più approfonditamente alcuni dettagli significativi della struttura, quali, ad esempio, le piastre metalliche di ancoraggio dei cavi o la struttura in calcestruzzo di ancoraggio del cavo più alto. Interventi funzionali e propedeutici alla posa in opera dei cavi integrativi esterni e all applicazione ai medesimi di adeguata trazione sono: le indagini preliminari (scansioni con georadar per individuare le barre di precompressione esistenti), l applicazione delle piastre in acciaio per l ancoraggio dei cavi integrativi e la posa in opera dei deviatori interni ed esterni ai cassoni in corrispondenza delle pile maggiori. Gli interventi all estradosso In maniera schematica, all estradosso del viadotto è prevista la completa sostituzione dei giunti di dilatazione, delle barriere e reti di sicurezza, la rimozione degli strati di impermeabilizzazione della soletta e dei cordoli esistenti, l asportazione mediante idrodemolizione del calcestruzzo corticale ammalorato di solette e cordoli, il consolidamento del calcestruzzo corticale all estradosso delle solette incrementandone lo spessore di 25 mm su tutto il viadotto (previa posa di connettori metallici), la ricostruzione dei cordoli e infine la realizzazione del nuovo strato di impermeabilizzazione mediante malta polimerica. Il completamento sulle superfici inferiori A completamento dell intervento è prevista l applicazione di anodi laminari di zinco all intradosso delle solette (al fine di ottenere una protezione galvanica delle stesse), l incollaggio di lamine in fibra di carbonio sulle superfici laterali delle pareti degli impalcati a cassone, nonché la protezione corticale di tutte le superfici all intradosso del viadotto mediante l applicazione di uno strato di vernice. Il potenziamento del sistema di monitoraggio strutturale Il sistema di monitoraggio strutturale già presente sul viadotto verrà ripristinato al termine dei lavori e sarà anche integrato per incrementarne l efficienza. Per studiare gli effetti del monitoraggio sull affidabilità strutturale dell opera e la configurazione migliore da assegnare alla nuova strumentazione, è stata avviata una collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica dell Università degli Studi di Trento. Lo studio svolto dall Università si pone come obiettivo l analisi del comportamento passato del viadotto e la progettazione di un sistema di monitoraggio in grado di coglierne il comportamento futuro, sia nel corso dei lavori di risanamento sia nel periodo successivo. 7. Il monitoraggio continuo con stazioni totali: la planimetria 6

6 8. Il monitoraggio continuo con stazioni totali: la sezione trasversale È stato quindi implementato un modello numerico del viadotto in Matlab i cui parametri incogniti sono stati tarati per mezzo delle misure di abbassamento sperimentali disponibili. Il modello è stato poi utilizzato, attraverso analisi probabilistiche, per la stima degli ulteriori parametri legati all intervento in progetto e dell efficienza del sistema di monitoraggio. Attraverso delle simulazioni del comportamento del viadotto, è stato possibile stimare il livello di precisione con la quale si potrà conoscere il valore dei nuovi parametri in funzione del tempo di monitoraggio. 9. Una vista della posizione della stazione per le pile 8 e Una vista della mensola dal punto di stazione 11. Una vista della pila 7 dal punto di stazione Nel caso del viadotto Colle Isarco, lo scopo principale del sistema di monitoraggio è quello di avere sempre sotto controllo il trend di abbassamento delle travate Niagara. Il sistema progettato per svolgere questa funzione è costituito da tre parti: una parte topografica composta da stazioni totali e prismi ottici, per misurare in continuo gli spostamenti; una parte di estensimetri a fibra ottica, per monitorare lo stato deformativo nel calcestruzzo delle due solette superiore e inferiore e quantificare di conseguenza i fenomeni sia istantanei sia lenti; una parte di termocoppie con lo scopo di mappare l andamento della temperatura all interno del viadotto. 7

7 12. I modelli tridimensionali agli elementi finiti implementati per lo studio delle deformazioni delle travate Niagara dovute al fenomeno del flouage Inoltre, a supporto di questo sistema, saranno installate delle celle di carico ad un capo di ogni cavo di precompressione esterna così da misurare in modo continuo le variazioni di tensione nei cavi sia durante l intervento di rinforzo sia nella fase di esercizio. Una simile configurazione del sistema di monitoraggio non ha come unico scopo la misura dell abbassamento, ma ne vuole indagare anche le cause: essa consentirà di distinguere la componente di deformazione viscosa, quella elastica dovuta alle perdite di precompressione e quella causate dalle variazioni termiche. Per quanto riguarda il sistema topografico, le stazioni totali per il monitoraggio continuo saranno posizionate ad Est del viadotto, in una posizione leggermente spostata rispetto alle postazioni per il monitoraggio periodico già presenti. I prismi saranno installati lungo le due travate Gerber, sulla travata centrale che supportano e sui rispettivi pilastri, per cogliere eventuali componenti di rotazione longitudinale e trasversale. Va ricordato infine come le strutture del viadotto siano state oggetto in precedenza di un ulteriore approfondita analisi agli elementi finiti (con il software Ansys v13.0), sempre in collaborazione con l Università di Trento, volta a valutare a fondo il comportamento deformativo delle strutture per effetto dei fenomeni lenti, con particolare riferimento al flouage. Conclusioni Va ricordato come il coefficiente di sicurezza originario a momento flettente negativo delle travate Niagara abbia subito una riduzione dovuta all incremento dei carichi da traffico previsti dalle nuove Normative tecniche (D.M ) rispetto a quelli previsti dalla Circolare n 384 del 1962 con la quale il viadotto è stato originariamente calcolato e costruito. Nella condizione attuale, in corrispondenza della sezione maggiormente sollecitata delle travate Niagara e considerando i carichi mobili previsti dal D.M nell ipotesi di barre Dywidag completamente integre, il coefficiente di sicurezza risulta pari a 1,19. Visto lo stato conservativo delle barre di precompressione alloggiate negli strati superiori delle solette dei cassoni e in considerazione delle previsioni relative all ossidazione incipiente di un ulteriore percentuale di tali barre, il coefficiente calcolato è da considerarsi teorico. L intervento previsto in progetto consentirà, nonostante tutte le incertezze evidenziate, di ripristinare tale coefficiente a valori di tutta sicurezza e consentirà comunque di garantire la piena resistenza ai carichi, e pertanto la piena funzionalità dell opera, anche in presenza di danneggiamenti di entità superiore a quelli prevedibili nei prossimi decenni. A completamento di quanto illustrato va ricordato inoltre come il sistema di monitoraggio strutturale già presente sul viadotto verrà sostituito/ripristinato dopo la conclusione dei lavori e verrà anche integrato al fine di aumentarne l importanza e l efficienza. Dall analisi dell efficacia di un sistema di monitoraggio continuo si evince che la presenza di tale sistema porta ad un miglioramento della conoscenza dei parametri incerti della struttura quali abbassamento e precompressione, con precisione sempre maggiore al crescere del tempo di monitoraggio. Va però ricordato che solo da un utilizzo complementare del sistema topografico e di quello composto da fibre ottiche e termocoppie si riesce a determinare con una certa accuratezza il trend di abbassamento delle travate Niagara e le cause che lo generano. In conclusione si può certo affermare che tale intervento si pone all avanguardia sia per la metodologia d indagine condotta (che ha consentito di conoscere a fondo la struttura oggetto dell intervento di consolidamento), sia per le tecniche di rinforzo e di protezione strutturali previste, nonché per le tecniche di monitoraggio poste in essere per garantire un continuo e completo controllo dello stato tenso-deformativo della struttura. * Direttore Tecnico Generale e Progettista di Autostrada del Brennero SpA ** Amministratore Delegato di Autostrada del Brennero SpA 13. Il confronto tra i carichi previsti dalla Circolare 1962 e dal D.M