Il caso studio: la modellazione FEM e valutazione di sicurezza nello stato di fatto
La struttura oggetto di studio è un viadotto esistente in calcestruzzo armato, costruito negli anni Settanta e classificato come ponte autostradale. Esso si sviluppa su sei campate semplicemente appoggiate, ciascuna di luce pari a 40 m circa, caratterizzate da una sezione trasversale costituita da otto travi longitudinali in c.a.p. e soletta superiore gettata in opera di 20 cm. Trasversalmente, le travi sono collegate da traversi in c.a.. In corrispondenza di ciascuna delle otto travi c’è un appoggio elastomerico, dotato di bassa rigidezza orizzontale (kh = 3,43 kN/mm) mediante il quale l’impalcato poggia sul pulvino e quindi sulle pile. Le pile su cui poggia l’impalcato, del tipo scatolare accoppiato, presentano sezioni differenti. Le fondazioni sono indirette, del tipo plinto su pali, mentre le spalle sono del tipo a contenimento. Il viadotto è stato modellato mediante il software SAP2000, realizzando un modello 3D dello stesso nel quale si è assunto il pulvino come elemento infinitamente rigido. L’impalcato è stato modellato mediante una sezione rettangolare equivalente in termini di area e di inerzia.
Le caratteristiche dei materiali adottati si riferiscono a valori medi, essendo la struttura in esame già esistente. Per studiare la risposta sismica della struttura, sono state eseguite analisi dinamiche non lineari utilizzando come input un set di sette accelerogrammi spettrocompatibili per uno spettro elastico costruito allo SLV, con un coefficiente d’uso CU = 2 e una vita nominale VN = 100 (ovvero una vita di riferimento VR = VNCU = 200 anni). Gli output considerati, per ciascun accelerogramma, sono: i valori massimi del momento flettente, del taglio e della rotazione alla base di ciascuna pila, i valori massimi della deformazione degli appoggi elastomerici e dello spostamento relativo tra gli impalcati. Dalle analisi è emerso che l’evento sismico Loma Prieta (codice 304ya) risulta essere il più gravoso, in quanto conduce la struttura alla crisi per flessione e taglio su più elementi. Per quanto concerne la rotazione alla base delle pile, invece, si è constatato che questa risulta essere minore del valore di capacità per tutti gli eventi sismici selezionati. Al contrario, tutti gli appoggi elastomerici subiscono spostamenti maggiori rispetto a quello massimo consentito. Infine, per quanto riguarda il problema del martellamento, questo si riscontra in corrispondenza di alcune coppie di impalcati per l’evento sismico con codice 304ya.
La strategia di adeguamento sismico basata sull’uso di SEWS: i principali risultati
Come già accennato nei paragrafi precedenti, la strategia di adeguamento proposta prevede l’utilizzo di isolatori FPS e di dispositivi MR, integrati con un sistema EWS. Sulla base della PGA stimata dal SEWS, i dispositivi MR vengono calibrati in maniera tale da ottenere una risposta strutturale ottimale. Gli MR vengono quindi utilizzati come dispositivi passivi intelligenti: le proprietà meccaniche vengono lasciate invariate durante l’intero evento sismico. Gli isolatori FPS a doppia superficie curva sono disposti in parallelo rispetto ai dissipatori: essi sono caratterizzati da due superfici di scorrimento concave con lo stesso raggio di curvatura. Consentono sia lo spostamento orizzontale che la rotazione.
Sia gli isolatori FPS che i dissipatori MR vengono disposti come elementi di collegamento tra le pile e l’impalcato: in questo modo i primi consentono una riduzione del momento e del taglio sollecitante le pile, mentre i secondi riducono gli spostamenti relativi dell’impalcato rispetto alle pile. La soluzione ottimale, che consente di abbattere le sollecitazioni su entrambe le tipologie di pila (alte e basse), si ottiene adottando dispositivi del tipo MR1 (ad alto smorzamento) ed MR2 (a basso smorzamento). Sulla struttura isolata sono quindi state implementate nuovamente le analisi dinamiche non lineari e sono stati analizzati gli output in maniera analoga a quanto effettuato allo stato di fatto. La strategia di adeguamento proposta ha portato un netto miglioramento nella risposta strutturale per tutti gli eventi sismici analizzati.
L’adeguamento strutturale, così come definito dalla norma, può dirsi ampiamente conseguito, dato che i valori medi degli indicatori, valutati sui sette terremoti, sono tutti maggiori dell’unità, con valore minimo pari a 1,28 (momento flettente, pila 2). Analogamente, i valori degli indicatori, riferiti al singolo evento sismico, sono maggiori dell’unità. La proposta di adeguamento implementata, con riferimento al set di accelerogrammi considerati, ha prodotto un miglioramento generale della performance sismica della struttura pari al 21% per il momento flettente e del 14% per il taglio. Inoltre, si è registrato un miglioramento della risposta sismica evidenziando l’efficacia non solo dell’accoppiamento dei dispositivi MR ed FPS, ma anche dell’algoritmo di controllo utilizzato per tarare i dissipatori MR in funzione del terremoto in input.
Si rimanda al link http://www.ponrec.it/programma/comunicazione/strumenti-informativi/.