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I concetti elementari alla base della robustezza strutturale di ponti e viadotti – prima parte

La robustezza è la qualità strutturale fondamentale che permette a un ponte o a un viadotto di sopravvivere agli eventi negativi, anche estremi, che si possono presentare lungo la vita di queste opere d’arte e rappresenta la possibilità di eludere crolli disastrosi

sfondo bon

In questa parte di articolo, presentata su “Strade & Autostrade” n° 138 Novembre/Dicembre 2019, si descrive il quadro a cui si deve fare riferimento per la progettazione di un’opera d’arte come un ponte e un viadotto, riconoscendo le caratteristiche intrinseche delle azioni a cui queste opere sono soggette.

Il riconoscimento di eventi estremi che sfuggono a una precisa descrizione statistica deve portare a concepire strutture robuste. In questo modo, si possono evitare collassi disastrosi e in particolare collassi progressivi.

Nella seconda parte, proposta su “Strade & Autostrade” n° 139 Gennaio/Febbraio 2020 e che troverete online da martedì 21 Gennaio 2020, sarà ampliato il tema della robustezza strutturale considerando il contesto più generale in cui viene concepita e progettata un’opera d’arte come un ponte o un viadotto, riconoscendo aspetti profondi che rendono la concezione strutturale la fase più delicata e importante nella realizzazione di tali opere.

  • Ponti
    1 bon
  • Viadotti
    2 bon
    I livelli di utilizzo di una struttura o di una infrastruttura
  • Crollo
    3 bon
    L’orizzonte temporale per una struttura o per una infrastruttura
  • robustezza
    4 bon
    Definizione di robustezza strutturale
  • Collasso
    5 bon
    Run-away di un sistema strutturale

Definizioni

In termini generali, le costruzioni – specie quelle tipiche dell’Ingegneria Civile – vivono per un periodo considerevole di anni: appare quindi essenziale considerare come evolve la qualità di una costruzione nel tempo e, in termini generali, come la stessa possa ragionevolmente sopravvivere a tutti gli eventi che possono interessarla.

Il modo canonico di considerare gli eventi che affronta una costruzione nella sua vita è quello di esaminare come essa si comporta in certe circoscritte situazioni definite condizioni di stato limite; si hanno quindi:

  • condizioni di servizio o di funzionamento, che corrispondono al corrente e corretto utilizzo della costruzione, per livelli di carico previsti proprio durante il normale esercizio;
  • condizioni ultime, che riguardano valori più elevati di carico, valori da definire comunque come realistici e possibili, e che possono verificarsi durante la vita della costruzione;
  • condizioni estreme, che riguardano valori di carico eccezionali, ovvero valori statisticamente estremali o scenari accidentali, ovvero eventi possibili ma che non possono essere caratterizzati statisticamente.

Questo quadro può essere riassunto introducendo per una struttura o una infrastruttura i seguenti livelli:

  • un livello di utilizzo, che riguarda scenari di carico frequenti;
  • un livello di sicurezza, che riguarda scenari di carico massimi o rari;
  • un livello di integrità, che riguarda scenari di carico estremi (accidentali o eccezionali).

Si rileva, pertanto, come una necessaria visione completa dello stato di una struttura e della sua evoluzione debba fare riferimento all’intero orizzonte temporale in cui la struttura vivrà e si modificherà.

Un termine che può sintetizzare complessivamente lo stato di un manufatto è quello di integrità strutturale, ovverosia la qualità di una costruzione di avere tutte le sue parti organizzate ordinatamente e capaci di sviluppare le proprie funzioni in modo da garantire la sicurezza delle persone (e dell’ambiente) oltre alle prestazioni previste per la costruzione.

Con integrità strutturale si può intendere quindi, sinteticamente, sia l’insieme di tutte le qualità strutturali sia la singola qualità quando opportuno. Ovviamente, dovrà essere considerato come questa qualità varia per la struttura – a partire da quando è nuova, ovvero nella sua configurazione nominale – lungo tutto il corso della vita della stessa.

Al riguardo, si possono introdurre idealmente questi principali aspetti:

  • sull’asse verticale è riportata la integrità strutturale, intesa – come visto precedentemente – come misura complessiva della abilità di una costruzione di sopportare i carichi a cui è soggetta svolgendo le funzioni per le quali è stata realizzata;
  • il piano orizzontale rappresenta l’orizzonte temporale; lungo la sua vita, una costruzione è esposta a due tipologie di eventi:
  1. i primi hanno luogo con regolarità e possono essere rappresentati su un asse lungo la cui direzione di costruzione perde in continuo qualità: qui le cause di degrado sono naturali, a causa dell’ambiente in cui la struttura è immersa (per esempio, corrosione), o antropiche, legate cioè all’uso che si fa della costruzione (per esempio, fatica);
  2. i secondi eventi hanno invece natura discreta: si presentano cioè in ben precisi istanti, con scenari difficilmente inquadrabili in termini probabilistici e comportano ben precise discontinuità nella qualità strutturale; con situazioni aventi queste speciali caratteristiche, per potere bene esprimere il requisito richiesto alla struttura si deve introdurre il concetto di robustezza.

  • Ingegneria Civile
    6 bon
    Collassi strutturali sway e no sway
  • Infrastruttura
    7 bon
    Livelli di verifica agli Stati Limite di Esercizio e Ultimi e per la valutazione della robustezza strutturale
  • Carico
    8 bon
    Il collasso progressivo di tipo pancake
  • Struttura
    9 bon
    Il collasso del Cypress Street Viaduct

La robustezza

Il concetto di robustezza strutturale deve essere ora esaminato. La robustezza strutturale è la capacità di una struttura (o, meglio, di un sistema strutturale) di mostrare una diminuzione regolare della sua qualità strutturale (integrità) dovuta a cause negative. Implica:

  1. una certa dolcezza della diminuzione dell’integrità strutturale dovuta a eventi negativi (caratteristica intensiva);
  2. una limitata diffusione spaziale delle rotture all’interno della struttura stessa o al di fuori di questa (caratteristica estensiva).

Deve essere subito osservato che questo concetto radicato nell’Ingegneria Strutturale trova degli analoghi quali:

  • damage tolerance (tolleranza al danno – in Ingegneria Meccanica): proprietà di un dispositivo o di una macchina in relazione alla sua capacità di sostenere i difetti in modo sicuro fino a quando la riparazione può essere eseguita. L’approccio alla progettazione, per tenere conto della tolleranza al danno, presuppone l’esistenza di difetti in qualsiasi struttura e che tali difetti si propaghino con l’uso. Un dispositivo o una macchina sono considerati resistenti al danno se è possibile attuare un programma di manutenzione sostenibile che comporti il rilevamento e la riparazione di danni accidentali, corrosione e fessurazioni da fatica, prima che tali danni riducano la resistenza residua della struttura sotto un limite non più accettabile;
  • graceful degradation (degradazione aggraziata – in Ingegneria Elettronica): capacità di un computer, di un sistema elettronico o di una rete di mantenere comunque una certa funzionalità anche quando gran parte di essi è stata distrutta o resa inattiva. Lo scopo del degrado aggraziato è prevenire il fallimento catastrofico.

Tornando alla definizione data di robustezza, si può considerare per primo l’aspetto intensivo. Bisogna considerare:

  • la misura dell’integrità strutturale intesa, come detto precedentemente, come qualità complessiva della struttura: gli attributi che concorrono a definire l’integrità sono diversi e possono esprimersi come affidabilità, disponibilità, manutenibilità, sicurezza, ecc.;
  • la magnitudo della generica causa negativa che fa degradare l’integrità strutturale: queste cause possono essere viste come minacce e possono essere suddivise in:
  • difetto: è una mancanza e rappresenta una potenziale causa, attiva o dormiente, di danno;
  • assetto sbagliato: il sistema è in uno stato errato che può o non può causare un fallimento;
  • rottura: interruzione permanente di un’abilità di sistema per eseguire una funzione richiesta in condizioni operative specifiche.

Si può giudicare la qualità della struttura nella sua configurazione nominale e in quella danneggiata a seguito dello svilupparsi di una causa negativa e in funzione della relativa magnitudo. Si può quindi vedere, ad esempio, che la risposta in verde caratterizza una struttura più performante in condizioni nominali rispetto a quella caratterizzata dalla risposta blu: quest’ultima risulta però avere prestazioni degradanti più lentamente al crescere della magnitudo della causa negativa e risulta, quindi, più robusta.

È interessante notare che al fine di valutare la robustezza di una struttura non è importante conoscere la natura precisa delle cause negative: queste possono avere origini e meccanismi i più disparati, ma ne interessa solo la magnitudo e non l’esatta manifestazione.

Ulteriormente deve essere notato che è possibile sviluppare solo una analisi comparativa fra differenti strutture per definirne la relativa maggiore o minore robustezza.

L’aspetto estensivo del carattere di robustezza strutturale richiede l’esame di come una eventuale rottura si propaga nella struttura e anche al suo esterno: questa propagazione può dare luogo al cosiddetto collasso progressivo.

Questa manifestazione disastrosa è nota anche in altre discipline con i termini di cascade effect o chain reaction. Una reazione a catena è l’effetto cumulativo prodotto quando un evento scatena una catena di eventi simili: in genere si riferisce a una sequenza collegata di eventi in cui il tempo tra eventi successivi è relativamente piccolo.

Questi termini sono di assoluta importanza in Ingegneria in quanto si vuole evitare il run-away del sistema: qui si nota come un effetto negativo può ingrandirsi esponenzialmente, fino ad assumere una grandezza che esce dal quadro di riferimento previsto, in maniera immaginifica rappresentato dal concetto di sindrome cinese.

Il concetto di robustezza strutturale permette, quindi, di distinguere tra un collasso buono, implosivo ovvero un processo in cui gli oggetti sono distrutti collassando su se stessi, e collassi cattivi che possono dare luogo a rotture non confinate.

Proprio per questa intrinseca necessità di valutare in maniera completa il comportamento strutturale fino alle fasi avanzate del collasso, oltre la capacità portante massima, è necessario sviluppare analisi di risposta per l’intero sistema strutturale.

  • Robustezza
    10 bon
    Il collasso progressivo di tipo domino
  • damage tolerance
    11 bon
    Lo schema di viadotto con elementi a stampella
  • graceful degradation
    12 bon
    Il collasso progressivo di tipo zip
  • Magnitudo
    13 bon
    Il collasso del Tacoma Narrow Bridge e Industriale dell’Università degli Studi di Roma La Sapienza

Mentre per le usuali verifiche agli Stati Limite di Esercizio o Ultimi può essere sufficiente considerare criteri di verifica a livello puntuale, a livello sezionale o a livello di elemento, la valutazione coerente della robustezza strutturale di una costruzione richiede la analisi dell’intero sistema che forma la costruzione, tenendo in conto opportunamente i diversi tipi di non-linearità che si sviluppano durante le fasi di collasso.

Resta inteso che tale sforzo computazionale è richiesto solo per costruzioni di una certa complessità, restando possibile considerare modellazioni più sintetiche per costruzioni più semplici.

Le tipologie di collasso progressivo

Per la pericolosità propria del collasso progressivo, è necessario approfondirne le caratteristiche. Sono classificate tre tipologie di collasso:

  • collasso tipo pancake: prevede il successivo collasso di parti strutturali dall’alto al basso; sebbene più comune nel caso di edifici, in cui un solaio può cadere sul sottostante che a sua volta ricade su quello sotto e così via, questa tipologia nel caso di ponti può essere rappresentata dal collasso del Cypress Street Viaduct, in cui la via di traffico superiore è caduta su quella sottostante;
  • collasso tipo domino: collassando, un elemento si rovescia su quello adiacente che a sua volta coinvolge il successivo e così via; un esempio di struttura prona a questo tipo di collasso progressivo di un viadotto con elementi a stampella: il collasso di una di queste stampelle, sbilancerebbe la successiva e così via;
  • collasso tipo zip: in questo caso, la struttura si slabbra ovvero si separa come una cerniera con zip: un caso emblematico è rappresentato dal collasso del Tacoma Narrow Bridge.

La seconda parte, proposta su “Strade & Autostrade” n° 139 Gennaio/Febbraio 2020, sarà online da martedì 21 Gennaio 2020.

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