Il tema del consolidamento e del miglioramento

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1 Tecniche di indagine p ro p e d e u t i c h e al consolidamento dei ponti storici Il miglioramento del comportamento statico dei ponti è argomento di grande attualità in Italia come a l l e s t e ro. L intervento di consolidamento è spesso condizionato da una conoscenza poco adeguata del manufatto architettonico, per la mancanza di i n f o rmazioni e disegni originali. Tuttavia la ricostruzione dello status ante il degrado è elemento d e t e rminate per la corretta valutazione dello stato di conservazione e la definizione delle fasi operative. P resentiamo il caso di un ponte sull Adda, che collega i comuni di Vaprio e Canonica D Adda, le cui analisi in situ hanno permesso di tarare al meglio il modello agli Elementi Finiti, necessario alla valutazione della staticità del ponte ed utile a definire i necessari interventi di ripristino. Il tema del consolidamento e del miglioramento del comportamento statico delle strutture da ponte è attualmente di grande attualità. In questo contesto è di particolare interesse la definizione delle metodologie da adottarsi nel caso di interventi su ponti storici. Non infrequentemente, infatti, la conoscenza di queste opere risulta inadeguata per la mancanza dei documenti e dei disegni originali. Inoltre, la valutazione dello stato di conservazione e del livello di degrado della struttura costituisce premessa indispensabile per poter intervenire nel massimo rispetto del progetto originale. Prima di iniziare la fase di progettazione di un qualsiasi intervento è quindi opportuno procedere con una approfondita fase di indagini, che comprende il rilievo geometrico dell opera, l esecuzione di 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 sono generalmente propedeutiche alla validazione di un modello ad Elementi Finiti (E F) che sia riferimento aff i- dabile nella fase di verifica strutturale e di progetto di un eventuale ripristino. Bruno Briseghella Università IUAV di Venezia Andrea Comerlati Università di Padova Nicola Gallino Politecnico di Milano Carmelo Gentile Politecnico di Milano Tobia Zordan Università IUAV di Venezia casa editrice la fiaccola srl I Milano Via Conca del Naviglio, 37 Tel. 02/ Fax 02/ LE STRADE 10/2006

2 Immagine del ponte sull Adda progettato negli anni 50 da Giulio Krall a collegamento tra i paesi di Vaprio (MI) e Canonica (BG) 2. Estratto dai disegni originali della sezione longitudinale del ponte e della pianta dell impalcato Sovente, infatti, e specialmente nella valutazione delle strutture esistenti, modelli E F anche molto raffinati non riescono a riprodurre con sufficiente accuratezza le caratteristiche dinamiche modali (frequenze naturali e modi propri di vibrare) dell opera, a causa delle incertezze legate alla modellazione. Per diminuire la differenza fra il comportamento reale della struttura e quello previsto dal modello E F si possono utilizzare i risultati di analisi modali sperimentali e f- fettuate sul ponte in esercizio. Lo scopo delle prove è quello di identificare i parametri modali del sistema i n v e s t i g a t o. Una volta tarato il modello di calcolo in base alle caratteristiche modali del manufatto a monte del consolidamento, sarà possibile procedere con il progetto, simulando l effettiva efficacia degli interventi e ottimizzando gli stessi in termini di costi-benefici, nell ottica della massima salvaguardia dell esistente. Si illustra di seguito l applicazione della metodologia sin qui delineata alle fasi di valutazione e di progetto di consolidamento di un ponte ad arco in c.a. degli anni 50 progettato da Giulio Krall, uno dei più importanti progettisti italiani del secolo scorso. Il ponte, di grande interesse e vincolato dalla Soprintendenza, è situato sul fiume Adda, nel Comune di Canonica d Adda fra le province di Milano e Berg a m o. CONSIDERAZIONI STORICHE Il ponte in oggetto, avente sviluppo complessivo di circa 90 metri e larghezza massima di 12.6 metri, è stato progettato intorno alla metà degli anni 50 dal Prof. Ing. Giulio Krall, ed è interamente realizzato in calcestruzzo armato. Il ponte rappresenta uno dei più espressivi esempi di ponti a trave Nielsen costruiti secondo la variante al metodo canonico proposto da Krall. La struttura si configura secondo lo schema statico dell arco a via inferiore (fig. 1), ove l impalcato, leggermente obliquo, presenta una pendenza longitudinale di circa il 2.5% ed è appeso tramite una serie di pendini inclinati, a due grandi arcate ad asse parabolico; gli archi portanti sono caratterizzati da una corda all imposta di 90.0 m e da altezza in chiave di circa 14.5 m. Il manufatto oggi esistente sostituisce un ponte metallico con la medesima tipologia e ubicato nel medesimo sito dell attuale. Resasi necessaria la sostituzione del vecchio ponte in acciaio di fine Ottocento in seguito ai numerosi e non trascurabili segni di aff a t i- camento manifestati dalla struttura, nel 1950 venne bandito un concorso dagli Uffici Tecnici delle province di Milano e di Bergamo per la costruzione di un nuovo ponte di collegamento fra le due sponde dell Adda fra i paesi di Vaprio e Canonica d Adda, concorso che fu vinto dal progetto presentato da Giulio Krall per conto della Ferrobeton. Furono l ingegnosità e l abilità, non solo progettuale ma anche tecnica, di Krall che permisero alla Ferrobeton di aggiudicarsi l appalto. A d i fferenza dei rivali, egli fu infatti in grado di offrire una struttura più efficiente di quanto era stato richiesto. La percezione verso i fenomeni idraulici ed una notevole sensibilità estetica, lo spinsero ad orientarsi verso una soluzione costruttiva senza il posizionamento di alcuna pila in alveo (figg. 2 e 3). METODOLOGIA ADOTTATA L approccio metodologico al progetto di rinforzo della struttura ha comportato le seguenti fasi di avvic i n a m e n t o. Analisi visiva e valutazione difettologica sulla struttura per determinare lo stato generale di salute dei diversi suoi componenti. Rilievo geometrico dello stato di fatto, essendo la documentazione grafica disponibile largamente incompleta e relativa unicamente al progetto originale piuttosto che al manufatto realmente costruito. Campagna di prove sperimentali sui diversi materiali da costruzione, al fine di determinarne le esatte caratteristiche meccaniche dello stato di fatto della s t r u t t u r a. Caratterizzazione dinamica della struttura in condizioni ambientali. Prova di carico statica. L insieme dei dati raccolti in tali indagini ha consentito sia di sviluppare un modello tridimensionale 3. Estratto dai disegni originali della sezione trasversale 10/2006 LE STRADE 137

3 4. Dettaglio dell errato posizionamento/si gillatura delle camicie protettive in corrispondenza alle estremità superiori dei pendini 5. L apertura delle teste delle camicie protettive di uno dei pendini per l ispezione dell armatura evidenzia lo stato di corrosione delle stesse 6. Distacco del copriferro in corrispondenza di alcune sezioni dell arco 7. Esempio di perforazione della soletta per consentire l introduzione di telecamere all interno della struttura dell impalcato e ottenere informazioni sulle fasi costruttive dell opera ad E F dell opera sia di procedere ad una prima taratura dei parametri del modello al fine di pervenire alla valutazione degli interventi di consolidamento con uno strumento affidabile a disposizione. ANALISI VISIVA E VA L U TA Z I O N E D I F E T T O L O G I C A Dallo stato di conservazione del ponte, appare chiaro come il principale intervento di manutenzione, e probabilmente il solo che ha riguardato il manufatto in epoca recente, sia stata la sostituzione e il posizionamento di nuove camicie protettive esternamente al getto di boiacca a protezione dell armatura dei pendini (fig. 4) TAB. 1. VALORI DEI PARAMETRI FISICI E MECCANICI DEL CESTRUZZO STRUTTURALE DETERMINATI IN SITO ED IN LABORATORIO Resistenza 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 ] L analisi visiva ha evidenziato, tra gli altri, i seguenti problemi: Errato posizionamento delle camicie in acciaio inox e completa assenza della protezione con boiacca dell armatura metallica dei pendini in particolar modo in corrispondenza al collegamento dei pendini con gli archi. In alcune di queste zone, a seguito della parziale rimozione delle camicie, si è potuto rilevare come le barre d armatura presentino uno stato di corrosione talora preoccupante (fig. 5); Distacco del copriferro in corrispondenza di alcune sezioni dell arco (fig. 6); Armature affioranti per distacco del copriferro all intradosso dell impalcato e in corrispondenza delle sezioni d imposta degli archi; RILIEVO GEOMETRICO Il rilievo geometrico ha incluso, oltre alla verifica delle caratteristiche dimensionali generali dell opera, il rilievo di dettaglio della geometria dei principali elementi strutturali. Inoltre, al fine di raccogliere il maggior numero di informazioni possibile e cercare di identificare la successione delle fasi costruttive dell opera, sono state effettuate perforazioni delle solette. Tali perforazion i, oltre a fornire indicazioni sulla geometria e la tipologia dell impalcato, hanno consentito di introdurre una telecamera e evidenziare la presenza di casserature configurate in modo tale da suggerire la costruzione degli archi in una fase successiva a quella dell impalcato (fig. 7). PROVE SUI MAT E R I A L I Per ciò che riguarda la caratterizzazione meccanica dei 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 campioni prelevati; 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 varie prove dirette ed indirette sono riassunti in tab. 1. I valori di tab. 1, unitamente alle contenute profondità di carbonatazione rilevate, evidenziano una notevole resistenza meccanica ed una buona compattezza dei calcestruzzi. Le caratteristiche meccaniche dell acciaio in barra, determinate sperimentalmente con prove a trazione su spezzoni prelevati in sito, hanno fornito i seguenti valori: fy = 447 MPa fu = 595 MPa 138 LE STRADE 10/2006

4 P R O VA DINAMICA Al fine di approfondire la conoscenza sul comportamento strutturale del manufatto sono state condotte, sia dalla società 4 E M M E sia dal Laboratorio Prove Materiali del Dipartimento di Ingegneria Strutturale ( D I S ) del Politecnico di Milano, registrazioni della risposta dinamica in condizioni ambientali. La campagna ha compreso la registrazione, in 14 stazioni di misura (fig. 8), della risposta del ponte all eccitazione associata alle azioni ambientali (vento e traffico veicolare) al fine di caratterizzare dinamicamente l opera mediante la stima delle prime frequenze proprie e delle forme modali associate. L identificazione delle caratteristiche dinamiche del ponte è stata eseguita mediante la tecnica nota in letteratura come F requency Domain Decomposition o F D D ( B r i n c k e r, Zhang & Andersen) e basata sulla decomposizione in valori singolari della matrice spettrale. Lo schema della strumentazione utilizzata, costituita da accelerometri piezoelettrici, è illustrato in fig. 9. Durante le indagini, condotte secondo quanto indicato dalla norma UNI 10985, la risposta del ponte è stata registrata con passo temporale pari a Dt=0.005s. La lunghezza di ciascuna registrazione è stata di circa 60. L analisi dei dati registrati, in termini di accelerazione, ha condotto all identificazione di numerosi modi principali di vibrare, nell ambito di frequenza 0-12Hz. I risultati dell analisi in termini di frequenze proprie possono riassumersi attraverso le curve illustrate in figura 10, dove è rappresentato l andamento dei primi valori singolari della matrice spettrale (la matrice contenente gli auto-spettri ed i cross-spettri) dei segnali registrati. Attraverso il diagramma di fig. 10, è possibile identificare le frequenze proprie direttamente dai valori di picco del primo valore singolare; le deformate modali associate sono ricavate dai vettori singolari corrispondenti. In fig. 10 sono chiaramente identificati 11 picchi ben 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 le forme modali individuate, facendo riferimento ai valori degli spostamenti modali estratti dalle registrazioni in accelerazione e normalizzati al valore massimo. 8 L analisi delle deformate modali evidenzia che i primi due modi individuati corrispondono a deformate flessionali (V+); i due modi successivi sono invece di tipo torsionale (V-). Seguono altri modi flessionali (5 e 7 ) e torsionali (6 e 8 ) mentre gli ultimi tre modi assumono forme più complesse, di tipo flessot o r s i o n a l e. P R O VA DI CARICO STAT I C A A completamento della campagna di indagini conoscitive, è stata effettuata una prova di carico statica (fig.12). Scopo della prova è stato quello sottoporre i pendini alla massima sollecitazione compatibile con le azioni accidentali di progetto previste per i ponti di pri Alcune stazioni di misura e, in primo piano, la centralina di acquisizione ed elaborazione dati 9. Schema di disposizione della strumentazione 10. Identificazione delle frequenze naturali attraverso i valori singolari della matrice spettrale Rappresentazione dei modi propri di vibrare identificati sperimentalmente 10/2006 LE STRADE 139

5 12. Prova di carico statica 13. Rilevazione dell allungament o delle barre costituenti i pendini 14. Vista del modello agli elementi finiti del ponte 14 ma 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 gli abbassamenti dell impalcato e l allungamento nelle barre d acciaio costituenti i pendini (fig. 13) TAB. 2. CONFONTO TRA LE PRIME FREQUENZE TEORICHE E SPERIMENTALI. M o d o Frequenza [Hz] Ti p o M i s u r a t a Modello E.F. V V V V V V V V MODELLAZIONE AGLI ELEMENTI F I N I T I Per l analisi del comportamento strutturale dell impalcato è stato sviluppato un modello ad E F u t i l i z z a n d o il codice S T R A U S 7 (fig. 14). Al fine ottenere una descrizione il più dettagliata possibile del comportamento strutturale dell impalcato, l implementazione del modello ha richiesto l accoppiamento di 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 collegano gli archi all impalcato; Elementi s h e l l per la discretizzazione della soletta di impalcato, delle solette dei marciapiedi e delle controsolette. Il ripristino della continuità fra le travi e la soletta è stato simulato mediante un collegamento rigido tra i nodi appartenenti alla linea d asse degli elementi trave ed i nodi appartenenti agli elementi bidimensionali di solette e controsolette. Per la discretizzazione della struttura sono stati impiegati 6387 elementi b e a m e elementi s h e l l, per un totale di incognite nodali. Considerato che a valle delle indagini condotte, una parte delle residue incertezze riguarda (com è usuale nelle strutture in c.a.) le caratteristiche elastiche del calcestruzzo, i risultati dell analisi modale sperimentale relativi ai primi 8 modi identificati sono stati utilizzati per giungere ad una prima calibrazione del modello. In particolare, si è proceduto facendo variare il modulo elastico dell 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 minima la differenza tra le frequenze naturali identificate sperimentalmente e le corrispondenti grandezze restituite dal modello E F. Questa prima analisi conduce ad un valore ottimale del modulo elastico di 38.0 G Pa ; in corrispondenza di tale valore si ottiene la correlazione tra le frequenze naturali teoriche ed osservate riassunta in tabella 2 e caratterizzata da differenze percentuali inferiori al 6% per i primi cinque modi. Tale risultato, seppur quantitativamente migliorabile attraverso idonee procedure di identificazione strutturale (con più parametri oggetto di aggiornamento), appare ingegneristicamente significativo sia alla luce della buona corrispondenza tra le deformate modali teoriche e sperimentali (il che rappresenta un importante verifica delle principali assunzioni utilizzate nella formulazione del modello) sia in quanto il modello è stato in grado predire, con buona approssimazione, quanto osservato nelle fasi di carico della prova statica. C O N C L U S I O N I Quanto presentato mira a fornire un quadro metodologico che consente un approccio consapevole al consolidamento strutturale dei ponti con valore stor i c o - m o n u m e n t a l e. La metodologia esaminata, a monte dell eventuale progetto di consolidamento strutturale, prevede di procedere attraverso: analisi visiva e valutazione difettologica; rilievi architettonici e strutturali; prove finalizzate alla determinazione delle caratteristiche meccaniche dei materiali; caratterizzazione dinamica della struttura; prova di carico statica. La procedura proposta consente di ottenere la calibrazione di un modello agli elementi finiti in grado di: riprodurre in modo soddisfacente il comportamento dello stato di fatto della struttura; individuare gli interventi strettamente necessari a ripristinare il desiderato livello di sicurezza; fornire una previsione attendibile del comportamento della struttura a valle degli interventi. Gli autori desiderano ringraziare l Ing. Renato Stilliti, dirigente del Settore Viabilità e Protezione Civile della Provincia di Bergamo e l Ing. Agostino Maninetti, responsabile del settore ponti della Provincia di Bergamo per l indispensabile supporto alle attività descritte nell art i c o l o. Un ringraziamento inoltre all Ing. Luciano Ceschel e all Ing. Lorenzo Imperato di 4Emme Service SpA. Infine un ringraziamento part i c o l a re ai tecnici del Laboratorio di Prove del Politecnico di Milano M a rco Antico e Marco Cucchi. 140 LE STRADE 10/2006