Monitoraggio METODI DI SPERIMENTAZIONE. Imetodi di sperimentazione possono consistere in metodi di controllo

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1 Per monitorare il comportamento strutturale di ponti e viadotti durante l intero ciclo della vita utile, è sempre più frequente il ricorso alla sperimentazione attraverso controlli non distruttivi e prove di carico statiche e dinamiche Ponti & Viadotti Paolo Panzeri* Alberto Bonaldi** Elisa Panzeri** METODI DI SPERIMENTAZIONE PER IL COLLAUDO E IL CONTROLLO DI PONTI E VIADOTTI Figura 1 Il metodo dinamico rappresenta in particolare una delle tecniche di prova più complete ed efficaci per la caratterizzazione e la comprensione del comportamento di ponti e viadotti. E oggi disponibile una vasta gamma di tecniche di rilievo per il collaudo e controllo dei ponti. La sperimentazione è tipicamente richiesta per la valutazione dell effettivo comportamento dell opera appena costruita (collaudo), per l accertamento dello stato di conservazione e integrità (esercizio), per la verifica di compatibilità rispetto a incrementi di carico o nuove norme (riqualificazione). Imetodi di sperimentazione possono consistere in metodi di controllo non distruttivo, prove di carico statico e prove dinamiche. L applicazione di tali tecniche, che si basano su principi fisici diversi, non può ancora essere considerata come un fatto automatico e di routine. E spesso necessario definire un vero e proprio programma di indagine che, in relazione agli obiettivi fissati e per poter giungere a formulare un giudizio attendibile, talvolta richiede di far ricorso all impiego simultaneo di più metodi. I metodi di controllo non distruttivi La finalità dei metodi di controllo non distruttivi consiste nell affinare la conoscenza dell opera e dei materiali componenti, indagando nel contempo lo stato di conservazione del manufatto. Dal punto di vista operativo, il programma dell intervento diagnostico prevede la definizione del numero e tipologia delle tecniche di controllo di potenziale applicazione tenendo conto principalmente della tipologia dell opera (calcestruzzo, muratura, acciaio), delle informazioni di cui si necessita (geometrie, dimensioni, natura dei materiali, integrità, ecc.), dell accessibilità sull opera, della rapidità di esecuzione ed entità dell eventuale periodo di fuori servizio dell opera e infine del costo dell indagine. Figura 2 - L indagine endoscopica in foro I carotaggi in fondazione Vengono condotti per esaminare le fondazioni di pile e spalle dei ponti al fine di verificare la stratigrafia della fondazione e l eventuale presenza di discontinuità/cavità. Sono solitamente accompagnati da indagine endoscopica in foro (Figura 2) e da prelievo del materiale di carotaggio raccolto in cassette catalogatrici. I carotaggi sulla struttura in elevazione Vengono tipicamente condotti per esaminare la stratigrafia di parti d opera laddove non è sempre nota la sequenza dei materiali utilizzati, ad esempio per paramenti e riempimenti al rinfianco (Figura 3). I carotaggi sono frequentemente integrati da indagine endoscopica in foro e da prelievo del materiale da sottoporre a prove di compressione, carbonatazione, ecc. Figura 3 - I carotaggi sulla struttura 2

2 Le indagini soniche L applicazione del metodo si basa sostanzialmente sulla misura della velocità di propagazione di impulsi meccanici nel materiale costitutivo della struttura fra due punti: quello in cui è posto l emettitore (generatore degli impulsi) e quello in cui è posto il ricevitore (Figura 4). Scopo dei rilievi è di dedurre la velocità virtuale o apparente di pro- Figura 4 - Le indagini soniche pagazione degli impulsi applicati alla struttura (intesa come rapporto fra distanza geometrica tra i punti di rilievo e tempo di transito misurato) e da essa informazioni sulle caratteristiche di deformabilità ed omogeneità del mezzo attraversato. La valutazione della tensione nelle barre d armatura La prova consiste nel posizionare sulle barre d armatura riscontri disposti simmetricamente rispetto alla sezione di taglio a distanza nota. A seguito del taglio i riscontri applicati possono subire un avvicinamento (elemento in compressione), oppure un allontanamento (elemento in trazione) o non subire variazioni (elemento scarico). 6A Figure 6A e 6B - Le caratteristiche di deformabilità ed elastiche equivalenti della muratura Dal rapporto tra la differenza di lettura finale ed iniziale con la lunghezza dell armatura scoperta si determina la deformazione unitaria che, moltiplicata per il modulo elastico dell acciaio, consente di stimare lo stato tensionale nella barra d armatura. Le indagini con martinetti piatti singoli e doppi Questa tipologia di indagine viene utilizzata su ponti in muratura operando su pile, spalle ed anche sugli archi. La tecnica di prova con martinetto piatto singolo si basa sulla variazione dello stato tensionale in un punto della struttura, provocata da un taglio piano di limitate dimensioni eseguito generalmente in corrispondenza di un corso di malta. Il rilascio delle tensioni provoca una parziale chiusura del taglio (deformazione), rilevata tramite misure di convergenza tra coppie di punti posti in posizione simmetrica rispetto alla discontinuità dovuta allo stesso taglio. La prova con martinetti piatti Figura 5 - La prova con martinetti piatti doppi doppi (Figura 5) consente di determinare le caratteristiche meccaniche di un campione rappresentativo di muratura. E basata sulla misura degli spostamenti indotti dalla compressione monoassiale esercitata su un campione di muratura di dimensioni apprezzabili mediante pressurizzazione di due martinetti piatti. La muratura viene sottoposta a uno o più cicli di carico con livelli di sollecitazione gradualmente crescenti; si determinano, così, le caratteristiche di deformabilità ed elastiche equivalenti della muratura (Figure 6A e 6B). Le indagini su collegamenti in acciaio Le tipiche indagini sui collegamenti in acciaio riguardano la verifica delle saldature (Figura 7) mediante indagine magnetoscopica; il controllo delle coppie di serraggio dei bulloni mediante chiave dinamometrica (Figura 8) e il controllo di chiodature e bullonature. Con particolare riferimento al controllo delle chiodature, prima di eseguire i controlli in campo, al fine di acquisire sensibilità sul comportamento dell ecogramma relativamente alle specifiche chiodature da analizzare, vengono realizzati campioni di riferimento (chiodi di dimensioni, geometria e materiale simile ai chiodi da testare), sui quali 6B Figura 7 - La verifica delle saldature Figura 8 - Il controllo delle coppie di serraggio dei bulloni mediante chiave dinamometrica 3

3 vengono eseguiti test di calibrazione. I test di calibrazione consistono nell eseguire misurazioni sia su elementi campione integri, che su elementi alterati tramite taglio in corrispondenza della testa di ribattitura del chiodo. In campo viene quindi effettuato il controllo delle chiodature avendo a disposizione tabelle sperimentali di confronto (Figura 9). Le prove di carico statiche Le prove di carico statiche eseguite su ponti e viadotti sono tipicamente indirizzate al controllo globale e diretto della buona esecuzione delle opere costruite ed alla verifica delle deflessioni e delle sollecitazioni prodotte dai carichi (Figure 10A e 10B). In generale, consentono di verificare se gli elementi strutturali restano in campo elastico per effetto delle forze esterne applicate che devono raggiungere quelle previste in fase di progetto e se in fase di rimozione del carico la struttura ritorna nella configurazione iniziale ossia con assenza di deformazioni permanenti. A tal fine, è necessario realizzare condizioni di carico significative, raggiungendo l intensità massima attraverso vari incrementi e lasciando le strutture sotto carico massimo costante (Figure 11A e 11B) per un determinato periodo di tempo affinché il materiale possa deformarsi completamente. La determinazione degli spostamenti e degli sforzi colti in corrispondenza di punti degli elementi esaminati permette di confrontare il comportamento effettivo con quello ipotizzato e quindi di verificare la validità del calcolo e la qualità dell esecuzione. Le grandezze che vengono tipicamente misurate in corso di prova sono gli spostamenti, le rotazioni e le deformazioni unitarie dalle quali è possibile risalire agli sforzi. Figura 9 - Il controllo delle chiodature Le prove dinamiche Il metodo dinamico viene oggi considerato una delle tecniche di prova più complete ed efficaci per la comprensione degli aspetti che caratterizzano il comportamento di una struttura, e questo anche e soprattutto con riferimento ai ponti e viadotti. Il metodo consiste in una procedura sperimentale finalizzata a determinare le frequenze naturali, le corrispondenti forme dei modi di vibrare ed i valori di smorzamento associati dell opera in esame. E noto che i modi di vibrare e tutte le grandezze ad essi associate, costituiscono un insieme di parametri (i parametri modali), che caratterizzano in maniera complessiva il comportamento locale e globale di una struttura. La caratterizzazione così ottenuta, attraverso la valutazione dell effettivo comportamento dinamico dell opera e quindi l identificazione del sistema, può consentire: di calcolare direttamente la risposta della struttura a fronte di qualsiasi azione dinamica agente di caratteristiche note, per esempio un sisma oppure un carico dinamico d esercizio; di affinare, sulla base dei riscontri sperimentali (confronto con i parametri valutati per via numerica), la modellazione numerica sviluppata per l analisi della struttura, e quindi di identificare un adeguato modello numerico idoneo a rappresentare la realtà strutturale dell opera. Una volta individuato il modello numerico tarato con l analisi dinamica, successive analisi possono consentire un adeguata valutazione delle sollecitazioni degli elementi costituenti la struttura, cosicché risulta possibile valutare le effettive condizioni del manufatto. 10A 11A 10B 11B Figure 10A, 10B, 11A e 11B - Le prove di carico statiche eseguite su ponti e viadotti stradali e ferroviari 4

4 Figura 12 - Le prove dinamiche mediante eccitazione forzata con vibrodina Il metodo dinamico può pertanto efficacemente intervenire nelle diverse fasi della vita di una struttura, e primariamente: nella fase di collaudo: in questa fase si fa ricorso al metodo dinamico per determinare l effettivo comportamento della struttura attraverso l identificazione e verifica degli schemi e delle assunzioni di progetto adottate. Si può così garantire, al di là di ogni incertezza di progettazione o di realizzazione, la rispondenza dell opera ai requisiti di affidabilità e sicurezza. Peraltro, secondo una moderna interpretazione, il collaudo ha anche lo scopo di correggere ed affinare il modello di calcolo progettuale, così da disporre di una sorta di carta di identità della struttura. Riverificando nel tempo i parametri inseriti nel modello, risulterà quindi possibile individuare eventuali danni od alterazioni che si sono prodotti a causa di eventi particolari, quali ad esempio transiti eccezionali oppure un sisma, o semplicemente per degrado progressivo. Per opere in zona a rischio sismico può essere condotto un collaudo sismico diretto, eccitando la struttura in corrispondenza di un modo di vibrare significativo, fino a raggiungere livelli di vibrazione uguali o superiori a quelli previsti dalla Normativa sismica vigente o comunque precedentemente stabiliti; nella fase di esercizio: per il controllo dello stato dell opera nel corso della vita utile della struttura. E possibile ricorrere al metodo dinamico per cogliere e quantificare l eventuale presenza di degradi e/o danneggiamenti strutturali intervenuti nell assetto statico della struttura. In questo caso, i parametri modali possono es- 13A 13B sere utilizzati come input per processi di identificazione strutturale i quali restituiscono come output parametri strutturali direttamente correlati alla struttura e più facilmente interpretabili ed utilizzabili ai fini di verifiche strutturali. Per queste applicazioni possono essere convenientemente impiegati anche modelli numerici in grado di tener conto e simulare la presenza di difetti e/o danneggiamenti. Le modalità e le tecniche relative ai processi di identificazione strutturale utilizzano strumenti classici dell analisi strutturale e delle tecniche matematiche di identificazione e sensibilità. In tema di confronto tra serie successive eseguite in tempi diversi di dati sperimentali, o comunque di confronto tra dati sperimentali e valori numerici dedotti da modelli di calcolo, può non risultare sufficiente limitarsi al confronto delle frequenze proprie; infatti, specie nel caso in cui si intenda accertare la presenza di difetti, occorre curare anche la corrispondenza tra le forme modali essendo noto che gli spostamenti modali risultano (rispetto alle frequenze proprie) maggiormente legati al comportamento locale e quindi, in linea di principio, più adatti alla valutazione di danneggiamenti localizzati; nella fase di riclassificazione dell opera: analogamente al caso precedentemente descritto della fase di esercizio, quando risulti necessario procedere ad una riclassificazione dell opera, anche rispetto ai carichi sismici, la sperimentazione dinamica consente di valutare l effettivo assetto statico della struttura e quindi di procedere alle analisi di riclassificazione tipicamente mediante modelli FEM tarati sulle indagini; nella fase di recupero/consolidamento dell opera: quando sulla struttura sia previsto un intervento di recupero/consolidamento, il rilievo del comportamento della struttura, effettuato sia prima che dopo il consolidamento, permette l identificazione degli effetti indotti dal rinforzo e la formulazione di un giudizio di bontà dell intervento mediante il confronto diretto tra le risposte strutturali dinamiche registrate. La risposta di una struttura in campo dinamico può essere caratterizzata attraverso: prove con eccitazione forzata artificiale indotta da carichi applicati ad hoc nella fase sperimentale e quindi di entità ed andamento controllabile. Vengono solitamente applicate eccitazioni dinamiche di tipo sinusoidale mediante l impiego di vibrodine meccaniche o idrauliche (Figura 12); prove con eccitazione fornita da azioni presenti nell ambiente cir- 13C costante quali forzanti indotte dal vento o dal traffico (su gomma e/o su ferro - Figure 13A, 13B e 13C); prove con eccitazione impulsiva per l analisi delle oscillazioni libere prodotte sulla struttura da azioni transitorie che si sono ormai esaurite e sono caratterizzate dalla combinazione di Figure 13A, 13B e 13C - Le prove dinamiche con eccitazione fornita da azioni presenti nell ambiente circostante quali forzanti indotte dal vento o dal traffico 5

5 sinusoidi smorzate dipendenti dalle caratteristiche modali dell opera. Le oscillazioni libere possono essere ad esempio indotte dal transito di veicoli (eventualmente con ostacolo interposto lungo il percorso dei mezzi in movimento), oppure prodotte artificialmente mediante la tecnica del tiro e rilascio rapido (Figure 14A, 14B e 14C) con analisi della fase immediatamente successiva allo shock. Si evidenzia infine che lo stesso DM prevede che per il collaudo statico dei ponti le prove statiche vadano integrate da prove dinamiche che misurino la rispondenza del ponte all eccitazione 14A dinamica controllando che il periodo fondamentale sperimentale (rilevato peraltro prima e dopo la prova di carico statico) sia confrontabile con quello previsto in progetto (Figura 15). * Ingegnere Responsabile Tecnico della P&P Consulting Engineers ** Ingegnere della P&P Consulting Engineers 14B Figure 14A, 14B e 14C - Le prove dinamiche con eccitazione impulsiva Figura 15 14C