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Controllo ed estensione della vita utile di un ponte ferroviario

Un caso rappresentativo di controllo e valutazione della sicurezza di un’opera ferroviaria per permetterne il mantenimento temporaneo in servizio

L'appoggio di carpenteria su calcestruzzo

Questo articolo illustra come si è potuto procedere a una estensione controllata della vita di servizio, seppure con prescrizioni e limitazioni d’uso, di un ponte ferroviario che, nonostante le dimensioni limitate, assume un’importanza strategica all’interno della rete ferroviaria.

Sono quindi illustrate le ispezioni e le prove in sito condotte, le analisi numeriche, le verifiche e il successivo sistema di monitoraggio installato, per valutare e controllare l’evoluzione dello stato dell’opera d’arte assicurandone la sicurezza. Si ritiene che, nella sua semplicità, questo episodio rappresenti un esempio di buona pratica utile per le Autorità infrastrutturali.

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1. L’ubicazione del cavalcavia ferroviario e contesto urbano

Oggetto e considerazioni iniziali

Il contesto fisico e infrastrutturale in cui si colloca questo manufatto è determinato da due fattori: pur avendo una luce limitata, la struttura svolge un compito delicato per il traffico ferroviario, poiché, essendo una tratta frequentata da pendolari, se andasse fuori uso causerebbe danni considerevoli per il gran numero di viaggiatori coinvolti (Figura 1).

L’opera è inserita in un’area urbana altamente trafficata (Figura 2): risulta quindi difficile e non immediata la sostituzione della struttura. Lo schema generale della struttura tipico degli anni Sessanta si evince in Figura 3.

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    2 Il cavalcavia considerato
    2. In grigio pallido (in alto) il cavalcavia considerato, che sostiene un binario
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    3 Il cavalcavia
    3. Vista globale del cavalcavia considerato, con il supporto di un binario

Per quanto concerne la composizione della sezione trasversale, ogni rotaia poggia su una trave di legno che – a sua volta – è sostenuta a intervalli da piastre verticali in acciaio che trasferiscono i carichi taglianti alle anime delle due coppie di travi accoppiate; queste, a loro volta, sono collegate tra loro con traverse verticali a X.

Oltre all’esame dei disegni, nelle Figure 4A, 4B, 5A e 5B sotto è interessante vedere come la struttura sia concretamente composta.

La complessa geometria del ponte, tipica come si è detto del periodo in cui è stato costruito, ha comportato la presenza di dettagli geometrici complicati, suscettibili di aumento di tensione rispetto ai valori medi nominali e quindi potenzialmente soggetti a rotture per fatica [1, 2 e 3].

Un aspetto da evidenziare ulteriormente a questo proposito riguarda la difficoltà di ispezione della struttura. Dalla Figura 5B è chiaro come sia difficile individuare eventuali inizi di crisi, come fratture nelle flange o chiodi rotti.

Questo aspetto è ancora più critico in considerazione del collegamento delle varie parti strutturali: il cedimento di una delle flange che collegano le travi longitudinali sotto la singola rotaia potrebbe innescare un progressivo collasso delle altre, con effetti drammatici [4 e 5].

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    4A Lato sinistro del cavalcavia
    4A. Lato sinistro del cavalcavia (guardando verso Nord)
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    4B Lato destro del cavalcavia
    4B. Lato destro del cavalcavia (guardando verso Nord)
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    5A La controventatura trasversale verticale
    5A. Il sistema di controventatura trasversale verticale tra le ali inferiori delle travi longitudinali. È possibile vedere anche parte della strumentazione per il monitoraggio dello stato strutturale
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    5B La controventatura trasversale orizzontale
    5B. Il sistema di controventatura trasversale orizzontale tra le ali inferiori delle travi longitudinali

Le valutazioni preliminari

Il Gestore dell’infrastruttura che ha in carico il cavalcavia è Ferrotramviaria SpA – Divisione Infrastruttura (FT-DI) che opera sulla rete regionale nell’area di Bari Nord.

Oltre a essere il Gestore dell’infrastruttura, FT-DI opera anche come Impresa ferroviaria per la stessa rete e fornisce servizi di trasporto pubblico locale interurbano su linee di autobus, nella stessa area geografica, e con servizi ferroviari merci sulla rete RFI (Azienda Ferroviaria Italiana).

Questa Azienda, grazie alla sua lunga e solida cultura basata sulla sicurezza e sull’affidabilità, per garantire la sorveglianza e la gestione delle proprie infrastrutture, ha avviato una specifica attività di controllo su questo sovrappasso, dopo aver rilevato la presenza di fenomeni di corrosione durante un’ispezione visiva condotta nel 2019 [6].

In primo luogo, è stata condotta una prova statica di carico all’inizio del 2019 collocando 25 blocchi di calcestruzzo con un peso unitario di 15,5 kN, per un totale di 387,50 kN (Figure 6A e 6B) e misurando, tra l’altro, uno spostamento verticale elastico in mezzeria pari a 5,6 mm.

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    6A La configurazione del carico
    6A. La configurazione del carico per il test statico
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    6B La configurazione del carico
    6B. La configurazione del carico per il test statico

Confrontando questo risultato con l’abbassamento teorico atteso pari a 6,6 mm, ottenuto da valutazioni preliminari in Figura 7, è stato possibile affermare che il ponte ha dimostrato un comportamento perfettamente elastico poiché le misure allo scarico hanno dato risultati praticamente nulli in termini di spostamenti. In particolare, è stato anche possibile affermare che gli appoggi hanno dato una risposta conforme al tipo di dispositivo senza danneggiamenti.

In secondo luogo, FT-DI ha commissionato alla Società New IFOG Engineering Srl [7] una modellazione strutturale completa del ponte, con relative verifiche di sicurezza, per avere contezza di eventuali criticità secondo la Normativa vigente e per avere un quadro generale dell’opera, consentendo di individuare, ove necessario, eventuali misure correttive e limitazioni operative.

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7. I risultati preliminari teorici

Nell’ambito di questa modellazione, la definizione delle caratteristiche dell’opera è stata possibile, oltre all’esame della Normativa vigente durante la costruzione dell’opera, anche grazie alla disponibilità dei disegni originali:

  • la geometria di progetto della struttura è risultata nota in base ai disegni originali e il rilievo visivo ha confermato la corrispondenza con il costruito;
  • i dettagli costruttivi sono risultati noti dai disegni originali integrati da puntuali indagini in situ;
  • le caratteristiche meccaniche dei materiali note sulla base dei disegni costruttivi sono state integrate da prove in laboratorio.

Le Figure 8A e 8B mostrano aspetti del modello globale agli elementi finiti sviluppato.

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    8A Il modello numerico
    8A. Il modello numerico delle travi longitudinali principali e dei binari sopra le travi in legno sostenuti dalle flange verticali tra le anime delle travi principali
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    8B Il modello numerico
    8B. Il modello numerico delle travi longitudinali principali e dei binari sopra le travi in legno sostenuti dalle flange verticali tra le anime delle travi principali

Per determinare la effettiva sicurezza del ponte, sono state condotte prove ad ultrasuoni volte ad individuare la riduzione causata da fenomeni di corrosione dello spessore degli elementi principali dell’impalcato, in particolar modo in corrispondenza del corrente inferiore delle travi principali in prossimità dell’appoggio fisso sul lato Sud.

La Figura 9 mostra, quindi, il modello globale completo, mentre la Figura 10 mostra la parte più critica delle strutture, ovvero la connessione chiodata sulle flange verticali che sostengono il binario.

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    9 Il modello globale completo
    9. Il modello globale completo
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    10 Le flange verticali
    10. Le flange verticali chiodate tra le anime delle travi principali

Un’ulteriore fase di valutazione della sicurezza

Per avere ulteriore conferma indipendente dello stato dell’opera, FT-DI ha commissionato all’Università di Roma “La Sapienza” un’ulteriore attività di consulenza specialistica condotta sotto la supervisione del primo autore di questo articolo.

È stato, quindi, prescritto un test in situ con una locomotiva diesel rappresentativa del carico di traffico previsto sulla linea, la quale è stata preliminarmente pesata per ottenere il carico preciso su ciascun asse come mostrato in Figura 11.

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11. Le caratteristiche di peso della locomotiva diesel (masse assiali rilevate con pesatura del 28 Maggio 2020 presso la stadera a ponte della stazione di Terlizzi)

Successivamente, nelle notti tra il 25 e il 26 e tra il 26 e il 27 Maggio 2020, i tecnici del laboratorio Tecno Prove Srl [8] hanno eseguito, presso la trave metallica, le seguenti prove:

  • prova di carico statico sul ponte, rilevamento dell’abbassamento attraverso comparatori centesimali, rilevamento dello stato di deformazione tramite estensimetri;
  • rilievo dinamico dell’abbassamento del ponte durante il passaggio del locomotore;
  • test di caratterizzazione dinamica del ponte utilizzando accelerometri;
  • prove di particelle magnetiche su travi metalliche.

La Figura 12 mostra i punti di misura e la disposizione dei sensori mentre la Figura 13 mostra la generica posizione della locomotiva.

  • estensione
    12 I punti di misura e dei sensori
    12. Le posizioni dei punti di misura e dei sensori
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    13 La locomotiva diesel sul cavalcavia
    13. La posizione generica della locomotiva diesel sul cavalcavia

Dalle prove statiche, gli abbassamenti massimi delle travi esterne sono di 6,58 mm e 6,39 mm, rispettivamente sul lato sinistro e sul lato destro guardando verso Nord, in conformità con i risultati delle valutazioni precedenti.

L’obiettivo principale del test dinamico era, invece, quello di conoscere la frequenza fondamentale del ponte: la Figura 14 mostra 20 secondi della storia temporale dello spostamento verticale sotto il sensore C1 durante il transito a 30 km/ora della locomotiva diesel e la Figura 15 mostra la densità spettrale di potenza di questo segnale che porta a una frequenza fondamentale di 10,25 Hz, che si differenzia dell’1,6% rispetto a quella ottenuta dal modello numerico della valutazione preliminare che era pari a 10,417 Hz.

  • Il transito della locomotiva sul cavalcavia
    14 Il transito della locomotiva sul cavalcavia
    14. La cronologia del tempo di spostamento verticale durante il transito a 30 km/ora della locomotiva diesel sul cavalcavia (segnale accelerometrico C1, travata metallica km 1+897 di scavalco Via Buozzi, Bari)
  • La densità spettrale di potenza
    15 La densità spettrale di potenza
    15. La densità spettrale di potenza ottenuta dalla storia temporale che porta ad una frequenza fondamentale di 10,25 Hz per il cavalcavia (PSD - C1 - travata metallica km 1+897 di scavalco Via Buozzi, Bari)

Questa grandezza era stata identificata come quella quantità sintetica e globale che poteva indicare lo stato del ponte.

La modellazione numerica è un’attività che può essere molto complessa e che può portare a risultati anche contrastanti: per questi motivi, FT-DI ha voluto impostare un procedimento di verifica ridondante e indipendente con la consulenza all’Università di Roma “La Sapienza”.

Un aspetto che è stato approfondito con questa ulteriore modellazione è lo stato puntuale delle connessioni chiodate, elementi potenzialmente critici, la cui sostituzione sarebbe stata troppo onerosa, come chiaramente visibile dalla disposizione in Figura 16.

Le chiodature presenti sul ponte
16. Un’immagine globale delle chiodature presenti sul ponte

Le Figure 17A, 17B, 17C, 17D e 17E mostrano alcuni aspetti della modellazione e alcuni risultati ottenuti, considerando il comportamento lineare del materiale elastico.

Nello specifico, lo stato di sollecitazione nei chiodi è stato esplicitamente ottenuto, anche introducendo nel modello riduzioni di spessori delle lamiere come rilevate. Anche successive analisi globali in campo non lineare, tenendo conto delle caratteristiche degli acciai presenti, hanno portato a risultati confortanti.

La conclusione, a valle di queste analisi e confronti con i risultati delle prove effettuate, è stata quella di poter consentire consapevolmente una limitata estensione della vita utile del ponte, a prezzo di una riduzione della velocità dei convogli ferroviari e prescrivendo un monitoraggio continuo dell’attraversamento. 

  • La deflessione sotto il peso proprio
    17A La deflessione sotto il peso proprio
    17A. La modellazione e i risultati: la deflessione sotto il peso proprio
  • La modellazione del binario
    17B La modellazione del binario
    17B. La modellazione e i risultati: la modellazione del binario (primo modo con frequenza di 10,17 Hz)
  • Le sollecitazioni a fatica
    17C Le sollecitazioni a fatica
    17C. La modellazione e i risultati: le sollecitazioni a fatica
  • Le sollecitazioni delle flange
    17D Le sollecitazioni delle flange
    17D. La modellazione e i risultati: i livelli di sollecitazione per flangia superiore, inferiore e nervature
  • Le sollecitazioni nei chiodi
    17E Le sollecitazioni nei chiodi
    17E. La modellazione e i risultati: le sollecitazioni nei chiodi

Il monitoraggio continuo e le prescrizioni

FT-DI ha deciso di installare un sistema di monitoraggio semplice ma robusto, in grado di valutare l’eventuale deterioramento del ponte attraverso una riduzione della frequenza naturale della struttura.

La realizzazione di tale sistema di monitoraggio è stata sviluppata, con l’ausilio di M3S SpA [9] sotto la supervisione dell’Università di Roma “La Sapienza”, tramite questi passaggi:

1) la stima della frequenza fondamentale del ponte, misurata nel periodo compreso tra il 7 Settembre 2020 e il 9 Novembre 2020, è stata ottenuta mediante:

  • esame dell’effetto dell’allungamento della finestra temporale di misura delle oscillazioni libere del ponte da 10 a 60 minuti; in questo modo si è ottenuto un miglior compromesso tra la riduzione della varianza della stima della densità spettrale di potenza e l’aumento della risoluzione nel dominio della frequenza a vantaggio di una maggiore precisione nell’identificazione del picco;
  • individuazione di un algoritmo per filtrare i dati ed eliminare il rumore eccessivo causato dal transito del veicolo ferroviario, per mantenere in modo totalmente automatico solo la libera oscillazione causata dal suo transito;

  • La frequenza fondamentale del sovrappasso
    18A La frequenza fondamentale del sovrappasso
    18A. La storia della frequenza fondamentale del sovrappasso ottenuta considerando la densità spettrale di potenza basata su un’ora di storia temporale
  • La frequenza fondamentale del sovrappasso
    18B La frequenza fondamentale del sovrappasso
    18B. La storia della frequenza fondamentale del sovrappasso ottenuta considerando l’istogramma di queste frequenze

2) in questo modo, nel periodo di taratura del sistema Giugno-Luglio 2020, sono state ottenute poco meno di 1.500 stime della frequenza del sovrappasso, che sono rappresentate come illustrato di seguito, con valori che (Figure 18A e 18B):

  • rientrano nell’intervallo 10,107-10,596 Hz;
  • hanno un valore medio di 10,328 Hz e un valore mediano di 10,327 Hz;
  • sono distribuiti regolarmente e approssimativamente gaussianamente.

Con l’analisi di queste misure, e a valle delle valutazioni di sicurezza e dei relativi controlli e confronti, per il controllo del manufatto, sono prescritte due azioni specifiche, organizzate nel diagramma di flusso della Figura 19:

  • è fissata una soglia di attenzione pari a 10,00 Hz: se la frequenza misurata scende al di sotto, si deve prestare attenzione al fatto se tale evento sia occasionale o ripetuto; in questo caso l’opera deve essere ispezionata;
  • è fissata una soglia di allarme pari a 9,75 Hz: se si scende sotto, l’opera deve essere immediatamente ispezionata ed esaminata per identificare eventuali danni.
Il sistema di attenzione e allarme
19. Il diagramma di flusso del sistema di attenzione e allarme

Valgono, inoltre, le seguenti prescrizioni:

  • il convoglio in funzione deve essere controllato e la sua velocità limite è di 30 km/ora;
  • mensilmente deve essere effettuata un’ispezione visiva, in particolare per quanto riguarda l’allineamento dei binari e lo stato dei supporti.

Il ponte in esame è attualmente in servizio, con i controlli, le limitazioni e le prescrizioni sopra illustrate e sarà sostituito prevedibilmente a metà del 2023.

Bibliografia

[1]. Legge 05.11.1971 n° 1.086 “Norme per la disciplina delle opere di conglomerato cementizio armato normale e precompresso e a struttura metallica”.

[2]. D.M. 17-1-2018 “Norme tecniche per le costruzioni”.

[3]. Circolare 21 Gennaio 2019 “Istruzioni per l’applicazione dell’aggiornamento delle Norme tecniche per le costruzioni” di cui al Decreto Ministeriale 17 Gennaio 2018.

[4]. RFI DTC INC PO SP IFS 001 A “Specifica per la progettazione e l’esecuzione dei ponti ferroviari e di altre opere minori sotto binario”, Rev. A – 21/12/11.

[5]. RFI DTC INC PO SP IFS 003 A “Specifica per la verifica a fatica dei ponti ferroviari”, Rev. A – 21/12/11.

[6]. 4Emme Service Srl “Ispezione visiva primaria cavalcavia km 1+897, tratta 1 Bari-Barletta, commessa n° AA/101/18.

[7]. New IFOG Engineering Srl “Ponte ferroviario in acciaio in corrispondenza del sottovia Bruno Buozzi, Bari”, relazione di verifica dell’impalcato da ponte in acciaio esistente (ai sensi del D.M. 17.01.2018).

[8]. Tecno Prove “Rapporto di prova PC033/2020, travata metallica ubicate al km 1+897 del tracciato delle Ferrovie del Nord Barese (in prossimità di Via Crispi nel comune di Bari)”, data delle prove: notte tra il 25 e il 26 Maggio e la notte tra il 26 e il 27 Maggio 2020.

[9]. M3S SpA “Relazione tecnica. Monitoraggio strutturale tramite sensoristica statica/dinamica – strategia e metodologie di analisi”, 2020.

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