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Il comportamento a fatica di ponti e viadotti sottoposti a carichi eccezionali – prima parte

Seppur il fenomeno della fatica sia sempre stato associato alle strutture e alle sue componenti in acciaio, diventa sempre più importante oggi sensibilizzarsi al fatto che tutte le infrastrutture esistenti sono sottoposte a ingenti stress di fatica legati ai carichi viaggianti che nei decenni sono via via aumentati

sfondo masera

La seconda parte dell’articolo è pubblicata sul fascicolo n° 144 Novembre/Dicembre 2020 e online su https://www.stradeeautostrade.it/ponti-e-viadotti/il-comportamento-a-fatica-di-ponti-e-viadotti-sottoposti-a-carichi-eccezionali-seconda-parte/.

Dal secondo Dopoguerra sino ai giorni nostri, i ponti e viadotti sono stati sottoposti a un considerevole incremento dei carichi pesanti da traffico, incremento sia dal punto di vista del peso del singolo mezzo che della frequenza di passaggi.

È ben noto come le Normative nazionali e internazionali nei riguardi del fenomeno di fatica prescrivano di adottare l’approccio tensionale (il cosiddetto stress-life approach), riferendosi alla curva di Wohler con cut-off in corrispondenza dei 108 cicli.

Detto limite sembra essere ragionevole per lo meno quando il degrado da fatica, in sede di progetto, deve essere evitato e quando lo spettro di carico dovuto ai carichi pesanti è calcolato correttamente.

Quest’ultimo concetto non sembra però sposare lo scenario reale che si rileva su ponti e viadotti esistenti presenti oggi sul territorio nazionale: questo dovrebbe quindi farci pensare che dette opere esistenti dovrebbero essere verificate, oltre che alle azioni preposte dalle Normative nazionali (NTC 2018), anche nel rispetto dei fenomeni di fatica ad alto numero di cicli (quindi superiore a 108 cicli).

In questa prima parte, l’articolo vuole quindi porre al centro i caratteri “somatici” e le peculiarità dei carichi eccezionali viaggianti rispetto a quelli “ordinari”, per poi analizzarli – nella seconda parte che proporremo sul fascicolo n° 144 Novembre/Dicembre 2020 – nei confronti della fatica e delle conseguenti ripercussioni che possono avere nel tempo sulle strutture da ponte/viadotti esistenti (www.masera-eg.com).

  • Wohler
    1 masera
    1. Curva di Wohler in coordinate logaritmiche
  • Carichi
    2 mas
    2. I carichi flettenti equivalenti dovuti agli schemi di carico delle diverse Normative
  • Normativa
    3 mas
    3. I carichi taglianti equivalenti dovuti agli schemi di carico delle diverse Normative

Cenni sulla valutazione degli effetti statici dei carichi eccezionali attraverso il metodo semplificato

Il metodo semplificato che in genere si adotta per verificare la transitabilità del veicolo eccezionale sulle diverse opere d’arte si basa sul confronto tra le sollecitazioni derivanti dal transito dei veicoli eccezionali e quelle prodotte dall’applicazione dei carichi della Normativa vigente all’epoca della realizzazione del ponte, assumendo che quest’ultimo sia stato progettato in accordo con le prescrizioni allora vigenti.

Le ipotesi adottate per la costruzione dei modelli di ponte sono le seguenti:

  • la luce che viene utilizzata nelle analisi è quella massima tra le diverse campate;
  • le strutture vengono considerate sempre isostatiche, indipendentemente dalle reali condizioni di vincolo;
  • il confronto tra il momento prodotto dal carico eccezionale e quello dovuto alle Norme è riferito alla sezione in mezzeria della campata;
  • il confronto tra il taglio prodotto dal carico eccezionale e quello dovuto alle Norme è riferito alla sezione in corrispondenza di uno dei due appoggi;
  • gli effetti dinamici sono stati presi in considerazione in accordo con le diverse Normative utilizzate, mentre per i veicoli eccezionali non sono stati considerati questi effetti in quanto si è supposto che transitino sulle opere a velocità relativamente basse;
  • si è trascurato l’effetto di eventuali marciapiedi e dell’effetto folla;
  • la corsia sulla quale transita il veicolo eccezionale è occupata esclusivamente da questo veicolo, senza contemporanea presenza di ulteriori carichi mobili.

È stato dimostrato [1] che la seconda ipotesi non modifica il rapporto tra sollecitazione prodotta dai carichi eccezionali e quella dovuta ai carichi da Normativa, in quanto entrambi i diagrammi delle sollecitazioni subiscono la medesima traslazione rigida.

L’analisi storico-normativa dei carichi viaggianti

Vengono di seguito riportate le diverse Normative utilizzate per la progettazione dei ponti e viadotti dal 1933 a oggi e che sono state utilizzate in questo articolo per svolgere le successive analisi:

  • Normale 8 del 15/09/1933;
  • Circolare 6018 del 09/06/1945;
  • Circolare 384 del 14/02/1962;
  • D.M. 308 del 02/08/1980;
  • D.M. LL.PP. del 04/05/1990;
  • NTC 2018.

In prima battuta, è stata svolta un’analisi statica attraverso l’aiuto del software Midas Gen, applicando sui ponti aventi luce compresa tra i 10 m e i 50 m (semplificati in questa prima fase come travi in semplice appoggio) i carichi relativi alla corsia più caricata previsti dalle Normative vigenti e passate.

Le caratteristiche della sollecitazione ottenute dall’analisi (momento flettente nella sezione di mezzeria e taglio in corrispondenza degli appoggi) sono state convertite in carichi distribuiti equivalenti, i quali, se applicati sull’intera luce del ponte, inducono nella trave le sollecitazioni di partenza. I risultati della suddetta analisi sono riportati nelle Figure 2 e 3 sopra.

Dai grafici si può notare qualitativamente come, con il passare degli anni, i carichi previsti dalle Normative abbiano portato ad avere delle sollecitazioni maggiori sui ponti, andando a realizzare nel tempo strutture in grado di resistere a carichi sempre più gravosi.

Il conseguente aumento delle azioni da considerare in fase progettuale è presumibilmente riconducibile alla domanda sempre più crescente del traffico e del peso di ciascun veicolo transitante. 

  • appoggi
    4 mas
    4.
  • Ponti
    5 mas
    5.
  • Viadotti
    6 mas
    6.
  • Impalcato
    7 mas
    7.
  • carichi flettenti
    8 mas
    8.
  • coordinate logaritmiche
    9 mas
    9.
  • veicolo eccezionale
    10 mas
    10.
  • mezzeria
    11 mas
    11.
  • Coefficienti di sfruttamento
    12 mas
    12.
  • trave
    13 mas
    13.
  • traffico
    14 mas
    14.

Le tipologie di veicoli eccezionali più comuni

Successivamente si è proceduto con la valutazione delle caratteristiche della sollecitazione prodotte dal transito dei veicoli utilizzati per i trasporti eccezionali.

Per svolgere questa analisi si è reso necessario considerare alcune tra le più comuni tipologie di veicoli per coprire un buon range di casistiche. I dati relativi ai veicoli riportati sono stati estrapolati da alcune schede tecniche reperite su territorio nazionale, dalle quali sono state dedotte geometrie e carichi limite per asse, costituiti dalla somma della tara e del carico utile massimo che essi possono sopportare.

Le loro caratteristiche sono riportate nelle Figure dalla 4 alla 14 sopra (le forze sono espresse in kN e le distanze in metri). È stata svolta un’analisi statica, nella quale i modelli dei suddetti veicoli sono stati fatti transitare sugli stessi schemi di ponte utilizzati per svolgere le analisi con i carichi da Normativa.

Si sono determinati il momento flettente in mezzeria della trave ed il taglio agli appoggi di ciascun impalcato, dovuti a ogni tipologia di veicolo eccezionale, e riconvertiti in carico flettente equivalente e tagliante equivalente come già visto in precedenza per i carichi da Normativa.

I valori ottenuti sono stati infine inseriti all’interno delle Figure 2 e 3, così da rendere possibile un confronto tra i risultati prodotti dai veicoli eccezionali e quelli derivanti dai carichi da Normativa relativi alla corsia maggiormente sollecitata.

Come si evince dai risultati, i carichi equivalenti (e quindi le sollecitazioni) prodotti dai veicoli eccezionali risultano essere quasi sempre superiori a quelli derivanti dai carichi da Normativa previsti per la corsia più caricata.

  • NTC 2018
    15 mas
    15. I carichi flettenti equivalenti dovuti ai veicoli eccezionali confrontati con quelli derivanti dai diversi carichi da Normativa
  • geometria
    16 mas
    16. I carichi taglianti equivalenti dovuti ai veicoli eccezionali confrontati con quelli derivanti dai diversi carichi da Normativa

La ripartizione trasversale dei carichi eccezionali sugli impalcati

Si è proceduto con lo studio della ripartizione dei carichi sulle diverse travi longitudinali costituenti un ipotetico impalcato.

Si è analizzato un ponte “tipo” avente luce pari a 35 m e larghezza di 9 m sul quale sono presenti tre corsie convenzionali. Si sono considerati diversi modelli nei quali è stato fatto variare il numero di travi longitudinali: nello specifico, sono stati analizzati impalcati aventi tre, quattro, cinque e otto travi.

Le travi sono state disposte in modo da avere tra loro interasse costante e gli sbalzi sono stati assunti pari a un quarto dell’interasse tra le travi stesse. In questo modo è univocamente definita la geometria della sezione trasversale dell’impalcato per qualunque numero di travi. Di seguito sono riportate le geometrie relative agli impalcati analizzati in questa fase.

I carichi mobili relativi al modello di carico 1 delle NTC 2018 sono stati applicati in diverse combinazioni per poter massimizzare tutti gli effetti sulle travi e sui vincoli.

  • infrastrutture
    17 mas
    17. Le geometrie degli impalcati analizzati, aventi rispettivamente tre, quattro, cinque e otto travi longitudinali
  • acciaio
    18 mas
    18. Le combinazioni dei carichi mobili e del veicolo eccezionale sulle diverse corsie

Per i carichi eccezionali sono state ipotizzate quattro combinazioni nelle quali è stata fatta variare la corsia sulla quale transita il veicolo eccezionale e la presenza o meno di altri carichi sulle corsie rimanenti, dovuti alla lane 2 e 3 del modello di carico 1 della NTC 2018. Gli schemi relativi alle quattro combinazioni dei carichi eccezionali sono di seguito riportati.

Nelle Figure 19A, 19B, 19C e 19D vengono riportate le tabelle nelle quali sono indicati i valori dei momenti flettenti relativi alla sezione di mezzeria della trave maggiormente sollecitata (trave di bordo), nelle quali viene fatta variare la combinazione con la quale transitano i veicoli eccezionali, relative ai diversi impalcati realizzati con un numero differente di travi longitudinali.

Per maggiore chiarezza sono stati di seguito riportati i coefficienti di sfruttamento relativi al ponte avente tre travi longitudinali.

Si può notare come, a parità di combinazione di carico mobile, il momento flettente nella sezione di mezzeria della trave maggiormente sollecitata si riduca se si aumenta il numero di travi, mentre il coefficiente di sfruttamento resti praticamente invariato in quanto si riduce anche il momento generato dai carichi da Normativa e il rapporto tra i due momenti resta praticamente il medesimo.

  • transito
    19A mas
    19A. I valori dei momenti flettenti nella sezione di mezzeria della trave maggiormente sollecitata e del coefficiente di sfruttamento per l’impalcato costituito da tre travi longitudinali
  • trave di bordo
    19B mas
    19B. I valori dei momenti flettenti nella sezione di mezzeria della trave maggiormente sollecitata e del coefficiente di sfruttamento per l’impalcato costituito da quattro travi longitudinali
  • SPEA Engineering SpA
    19C mas
    19C. I valori dei momenti flettenti nella sezione di mezzeria della trave maggiormente sollecitata e del coefficiente di sfruttamento per l’impalcato costituito da cinque travi longitudinali
  • Masera Engineering Group
    19D mas
    19C e 19D. I valori dei momenti flettenti nella sezione di mezzeria della trave maggiormente sollecitata e del coefficiente di sfruttamento per l’impalcato costituito da otto travi longitudinali

Conclusioni

In questa prima parte si è voluto introdurre in maniera chiara e riassuntiva quali differenze sussistano tra gli effetti prodotti dai carichi viaggianti “ordinari” e quelli eccezionali.

Dai modelli di calcolo analizzati, si evince come sia confermato il fatto che far transitare il veicolo eccezionale al centro della carreggiata risulti essere più vantaggioso rispetto al farlo viaggiare sulla corsia più esterna, in quanto in questo modo il carico si ripartisce in maniera più uniforme su tutte le travi. Così facendo si producono, per quasi tutti i veicoli analizzati, sollecitazioni con valori inferiori a quelli prodotti dai carichi ordinari da Normativa.

Viceversa, quando il veicolo eccezionale transita sulla corsia più esterna, per quasi tutti i tipi di veicoli analizzati si generano sollecitazioni superiori a quelle derivanti dall’applicazione dei carichi da Normativa.

Dalle analisi risulta che quasi tutti i veicoli eccezionali nella combinazione 1 producono sollecitazioni superiori a quelle previste dal modello di carico 1 delle NTC 2018: perciò, per quanto previsto dal metodo semplificato, il veicolo eccezionale in questa particolare combinazione non potrebbe transitare.

Si è così quindi inquadrato, in forma statica, l’effetto dei carichi eccezionali sulle strutture da ponte: nella futura parte 2 dell’articolo si investigheranno gli effetti della fatica indotta da questi tipi di veicoli.

Peso
20. Coefficienti di sfruttamento relativi alla trave più esterna per l’impalcato costituito da tre travi longitudinali

Bibliografia

[1]. R. Bruson, S. Martinello – “Valutazione del transito dei carichi eccezionali attraverso una procedura di calcolo automatico”, Seminario Internazionale CIAS di Creta, 2010.

La seconda parte dell’articolo è pubblicata sul fascicolo n° 144 Novembre/Dicembre 2020 e sarà online a partire da martedì 1° Dicembre 2020.

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