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Il comportamento a fatica di ponti e viadotti sottoposti a carichi eccezionali – seconda 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 prima parte dell’articolo è pubblicata sul fascicolo n° 143 Settembre/Ottobre 2020 e online su https://www.stradeeautostrade.it/ponti-e-viadotti/il-comportamento-a-fatica-di-ponti-e-viadotti-sottoposti-a-carichi-eccezionali-prima-parte/.

Nella prima parte dell’articolo si è trattato l’effetto dei carichi eccezionali sulle strutture da ponte attraverso un metodo semplificato e si sono confrontate le sollecitazioni prodotte dal transito di questi veicoli con quelle derivanti dall’applicazione dei carichi da Normativa.

Dalle analisi svolte, era emerso come fosse confermato il fatto che far transitare il veicolo eccezionale al centro della carreggiata risultasse 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.

In questa seconda parte, l’articolo quindi vuole porre al centro le peculiarità dei carichi eccezionali viaggianti nei confronti della fatica e delle conseguenti ripercussioni che possono avere nel tempo sulle strutture da ponte/viadotti esistenti, esaminando un cavalcavia che è stato oggetto di studio (www.masera-eg.com). 

  • Sezione
    1 mas
    1. La sezione longitudinale del cavalcavia oggetto di studio
  • Impalcato
    2 mas
    2. La sezione trasversale dell’impalcato con luce di 38 m

Descrizione del caso studio

Il cavalcavia oggetto di studio, avente lunghezza complessiva di 130 m, è costituito da quattro campate isostatiche di lunghezza pari a 38, 31, 31 e 30 m.

La struttura è caratterizzata da un profilo altimetrico orizzontale e da una configurazione planimetrica rettilinea. I quattro impalcati sono costituiti rispettivamente da 8, 6, 6 e 6 travi in calcestruzzo armato, ciascuna costituita da tre conci precompressi prefabbricati che vengono collegati in opera mediante post tensione.

Le travi longitudinali facenti parte della stessa campata sono collegate tra loro per mezzo di traversi e soletta in calcestruzzo armato gettati in opera. L’impalcato di luce di 38 m è costituito da una soletta di larghezza 12,30 m, sorretta da otto travi di altezza 1,60 m poste a interasse 1,50 m, come si può evincere dalla sezione tipo riportata (le misure sono espresse in centimetri).

Le singole travi sono costituite da tre conci che sono stati sostenuti da puntelli fino al getto della soletta e una volta indurita si è proceduto alla post tesatura dei cavi nelle travi principali mediante l’utilizzo di un cavo da sei trefoli (Atrefolo = 139 mm2) ancorato in soletta e con tre cavi da 12 trefoli ancorati in testata, disposti simmetricamente rispetto all’anima della trave.

  • Campata
    3 mas
    3. La sezione longitudinale di una trave tipo della campata con luce di 38 m
  • carico
    4 mas
    4. La sezione trasversale degli impalcati rimanenti
  • acciaio
    5 mas
    5. La sezione trasversale di una trave principale della campata 2

Gli altri impalcati sono costituiti da una soletta di larghezza 12,30 m, sorretta da sei travi di altezza 1,60 m poste ad interasse 2,10 m come si può evincere dalla sezione tipo riportata (le misure sono espresse in centimetri).

Le singole travi sono costituite da tre conci che sono stati sostenuti da puntelli fino al getto della soletta e una volta indurita si è proceduto alla post tesatura dei cavi nelle travi principali mediante l’utilizzo di un cavo da otto trefoli (Atrefolo = 139 mm2) ancorato in soletta e con due cavi da 12 trefoli ancorati in testata, disposti simmetricamente rispetto all’anima della trave.

Le travi in calcestruzzo sono collegate tra loro sia tramite la soletta in calcestruzzo, sia dai traversi gettati in opera. Le travi trasversali in corrispondenza delle spalle hanno dimensioni di 160×40 cm, quelli sulle pile di 100×80 cm e quelli in prossimità della zona centrale delle campate di 160×30 cm. Per l’impalcato è prevista la configurazione dei vincoli come da Figura 6.

I materiali

La soletta e le travi sono realizzate con un calcestruzzo di classe C35/45, le barre di armatura ad aderenza migliorata sono costituite da acciaio B450C e le principali caratteristiche dell’acciaio per realizzare i cavi da precompressione sono riportate all’interno della Figura 7.

  • Travi
    6 mas
    6. La disposizione dei vincoli sulle travi principali con relativa legenda
  • Acciaio
    7 mas
    7. Le caratteristiche meccaniche dell’acciaio per i cavi da precompressione

Le azioni

Di seguito verranno riportate in maniera sintetica i diversi carichi che sono stati considerati per svolgere le analisi successivamente descritte:

  • carichi permanenti strutturali (G1);
  • carichi permanenti non strutturali (G2);
  • ritiro della soletta in calcestruzzo;
  • forze di precompressione e relative perdite di tensione;
  • carichi variabili dovuti al transito dei veicoli ordinari ed eccezionali.

Nel presente caso studio è stato considerato come carico variabile il solo carico da traffico, trascurando il contributo delle variazioni termiche e del vento, in quanto si ritiene che, nell’eventualità in cui siano presenti condizioni atmosferiche avverse, il veicolo eccezionale non avrebbe il permesso delle Autorità competenti per transitare sull’opera.  

Le azioni variabili da traffico

Il numero di corsie convenzionali, la loro larghezza e quella relativa alla zona rimanente sono state determinate attraverso le indicazioni fornite nelle NTC 2018 al punto 5.1.3.3.3.

La disposizione e la numerazione delle corsie va determinata in modo da indurre le più sfavorevoli condizioni di progetto. Il numero di corsie da considerare caricate, la loro disposizione sulla superficie carrabile e la loro numerazione vanno scelti in modo che gli effetti della disposizione dei carichi risultino i più sfavorevoli per ogni singola verifica.

La corsia che caricata dà l’effetto più sfavorevole è denominata corsia 1, quella che dà il successivo effetto più sfavorevole è la corsia 2 e così via. In Figura 8 è riportata una tipica disposizione delle corsie convenzionali del presente caso studio.

  • Corsie
    8 mas
    8. La disposizione delle corsie convenzionali
  • veicolo eccezionale
    9A mas
    9A. Lo schema della combinazione 1 con veicolo eccezionale
  • fenomeno della fatica
    9B mas
    9B. Lo schema della combinazione 2 con veicolo eccezionale
  • calcestruzzo
    9C mas
    9C. Lo schema della combinazione 3 con veicolo eccezionale
  • saldatura
    9D mas
    9D. Lo schema della combinazione 4 con veicolo eccezionale

Le azioni variabili del traffico sono state modellate considerando i seguenti schemi di carico:

  • modello di carico 1: definito nelle NTC 2018 al punto 5.1.3.3.5, è costituito sia da carichi concentrati applicati su due assi in tandem, sia da carichi uniformemente distribuiti;
  • combinazione 1 con veicolo eccezionale;
  • combinazione 2 con veicolo eccezionale;
  • combinazione 3 con veicolo eccezionale;
  • combinazione 4 con veicolo eccezionale.

Nelle quattro combinazioni con veicolo eccezionale è stata fatta variare la corsia su cui transita il veicolo eccezionale e la presenza o meno di altri carichi sulle corsie rimanenti.

Di seguito è stata riportata la combinazione adottata per lo studio del fenomeno della fatica causata dal ripetuto transito dei veicoli eccezionali nelle combinazioni appena viste. Tale combinazione è stata individuata all’interno del EN1992-1-1 al punto 6.8.3:

Il modello strutturale

Il modello strutturale del caso studio è stato realizzato mediante l’utilizzo del software Midas Civil. Si tratta di un modello grigliato spaziale del ponte avente quattro campate, realizzato con il solo utilizzo di elementi beam.

Lo scopo dell’analisi è quello di valutare le sollecitazioni interne sulle travi principali, derivanti dalle combinazioni di carico precedentemente illustrate, che verranno utilizzate per valutare le tensioni nei diversi punti della sezione trasversale delle travi longitudinali ed eseguire le verifiche a fatica per il calcestruzzo della soletta, per l’armatura lenta e per i cavi da precompressione della trave longitudinale.

Midas Civil
10. La rappresentazione del modello strutturale attraverso il software Midas Civil del caso studio

I risultati delle analisi

Dai risultati delle analisi effettuate è risultato che la trave longitudinale maggiormente sollecitata sia quella di bordo della campata 1. Di seguito sono stati riportati i valori di momento flettente calcolati per la sezione di mezzeria della suddetta trave, derivanti dalle diverse combinazioni di carico eccezionale.

Infine è stato valutato il coefficiente di sfruttamento, ovvero il rapporto tra il momento sollecitante prodotto dai veicoli eccezionali nelle diverse combinazioni e quello derivante dai carichi da Normativa.

Si noti come i valori dei momenti flettenti nell’analisi appena svolta risultino superiori a quelli ottenuti attraverso il modello semplificato con otto travi longitudinali analizzato nella prima parte dell’articolo, mentre i coefficienti di sfruttamento non si discostino significativamente da quelli riportati nella Figura 20 del suddetto articolo. Per maggiore chiarezza i coefficienti di sfruttamento appena ottenuti sono riportati in Figura 12.

Confrontando lo schema di carico 1 con lo schema di carico 3, si nota come la presenza o meno di ulteriori veicoli ordinari non sia particolarmente rilevante quando il veicolo eccezionale viene fatto transitare sulla corsia più esterna, e che la condizione più favorevole per far transitare i veicoli eccezionali risulti essere lo schema di carico 4, ovvero quando il mezzo eccezionale transita al centro della carreggiata in assenza di altri veicoli, producendo quasi sempre sollecitazioni inferiori a quelle del modello di carico 1 definito dalle NTC. 

  • mezzeria
    11 mas
    11. I valori dei momenti flettenti e del coefficiente di sfruttamento sulla trave 1 della campata 1 nella sezione di mezzeria
  • barre di armatura
    12 mas
    12. I coefficienti di sfruttamento relativi al momento flettente nella sezione di mezzeria della trave di bordo della campata 1

Le analisi a fatica

È stato quindi trattato il fenomeno della fatica, causato dal transito dei veicoli eccezionali nel tempo, sugli elementi strutturali costituenti l’impalcato. In particolar modo è stato valutato, in funzione della combinazione di carico e del tipo di veicolo eccezionale, il numero di cicli a cui sono in grado di resistere la soletta, le travi, le barre di armatura ordinarie e i cavi da precompressione presenti nelle travi principali.

Le sezioni per le quali si è svolta la suddetta analisi sono quelle di mezzeria delle travi longitudinali per le diverse campate. 

L’accumulo del danno

Il metodo proposto da Palmgren-Miner per la valutazione dell’accumulo del danno è il più semplice tra quelli presenti in letteratura, in quanto si basa sull’ipotesi di accumulo lineare del danno.

Grazie a questa teoria si può affermare che nel caso di una storia di carico costituita da differenti valori di Δσ variabili nel tempo, il danno parziale prodotto per ogni intervallo Δσ che si verifica ni volte, può essere valutato come ni/Ni dove Ni è il numero di cicli alla quale quell’elemento può resistere se sottoposto a carichi ciclici aventi quel particolare Δσi.

Infine, per ottenere il danno totale prodotto dalla storia tensionale reale applicata sull’elemento, è sufficiente sommare i diversi danni parziali, così come illustrato nella seguente formula:

La condizione teorica di rottura si verifica quando la sommatoria dei danni parziali raggiunge il valore unitario. Tale approccio, pur non tenendo conto della frequenza con la quale i diversi cicli di carico vengano applicati, è molto utilizzato per le verifiche a fatica negli elementi strutturali in acciaio. 

L’analisi a fatica del caso studio

Le verifiche a fatica dell’impalcato consistono nell’assicurare che la sua probabilità di rottura, dovuta al susseguirsi dei cicli di carico (e quindi alle diverse variazioni di tensione) rimanga bassa.

Il Δσ è determinato dalla differenza tra le tensioni presenti durante il transito dei veicoli eccezionali nelle diverse combinazioni e le tensioni causate dalle azioni permanenti agenti sull’impalcato.

Dalla combinazione a fatica, tramite il modello agli elementi finiti del caso studio, sono stati ottenuti i valori di momento flettente negli elementi portanti dell’impalcato e calcolate le tensioni agenti sulle sezioni considerate. 

  • Masera Engineering Group
    13 mas
    13. La curva S-N per l’armatura lenta del caso studio
  • armatura
    14 mas
    14. La curva S-N per l’acciaio da precompressione del caso studio

La fatica nel calcestruzzo

Sebbene la fatica sia considerata un fenomeno che si manifesta principalmente nelle strutture in acciaio, talvolta si presenta anche in quelle in calcestruzzo se sottoposto a ripetuti carichi ciclici.

Per la verifica a fatica del calcestruzzo compresso si è utilizzata la formulazione illustrata nel EN1992-2 al paragrafo 6.8.7, che consente di calcolare il numero di cicli Ni alla quale la soletta in calcestruzzo può resistere per quel determinato valore di Δσi derivante dall’i-esima combinazione di carico a fatica.

La formula per calcolare Ni è di seguito riportata:

dove:

in cui:

Ri = il rapporto di tensione;

Ecd,max,i = il livello massimo di tensione a compressione (preso in valore assoluto).

La fatica nell’acciaio

L’analisi del fenomeno della fatica dell’acciaio presente all’interno delle travi segue delle procedure analoghe a quelle della verifica illustrata per il calcestruzzo, in quanto in questo caso sono presenti dei grafici S-N ed è possibile calcolare il numero di cicli Ni al quale un elemento può resistere per quel determinato valore di Δσi derivante dall’i-esima combinazione di carico a fatica.

Nel caso studio le barre di armatura sono disposte in maniera rettilinea senza punti di saldatura intermedi, perciò si è ottenuta la curva S-N riportata in Figura 13.

Per i cavi da precompressione presenti all’interno delle travi è possibile tracciare la curva S-N attraverso i parametri riportati all’interno della tabella 6.4N del EN1992-1-1. Nel caso studio, i cavi sono stati post tesi e inseriti all’interno di guaine in plastica, perciò si è ottenuta la seguente curva S-N.

Di seguito si riporta la sola tabella relativa alle verifiche a fatica della sezione di mezzeria della trave di bordo della campata avente luce di 38 m, per quanto riguarda il calcestruzzo, l’armatura lenta e i cavi da precompressione.

In Figura 15 sono riportati, in funzione delle combinazioni di carico a fatica, i numeri di cicli N ai quali i diversi elementi costituenti la sezione sarebbero in grado di resistere se fossero applicate variazioni di tensione con la medesima ampiezza di quelle prodotte dai carichi eccezionali.

EN1992-1-1
15. Il momento flettente, la tensione e il numero di cicli massimo nelle diverse combinazioni per i diversi elementi costituenti la trave

Conclusioni

Dalle analisi svolte è emerso che la trave maggiormente sollecitata sia quella di bordo della campata 1, in quanto mediamente il numero di cicli alla quale le armature possono resistere è inferiore per le diverse combinazioni di carico rispetto agli stessi valori relativi alle altre travi, mentre la trave meno sollecitata sia quella posizionata nella zona centrale dell’impalcato.

Inoltre, si nota come per alcune particolari combinazioni di carico le armature presenti all’interno della trave non riescano a resistere alle sollecitazioni prodotte dai veicoli, giungendo quindi a rottura e portando al collasso le travi stesse.

Infine si può osservare che, per alcune combinazioni di carico, il numero di cicli al quale le barre possono resistere sia relativamente basso se confrontato con la durata della vita del ponte.

Purtroppo, non essendo nota la frequenza con la quale i veicoli eccezionali transitano sull’opera, non è possibile calcolare il danno che questi mezzi sono in grado di produrre sugli elementi analizzati.

La prima parte dell’articolo è pubblicata sul fascicolo n° 143 Settembre/Ottobre 2020 e sarà online a partire da giovedì 12 Novembre 2020.

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