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Interventi di recupero strutturale sul viadotto Pietrastretta

Le attività condotte sul viadotto a travata in c.a.p. di forte luce sul RA5 Sicignano-Potenza in Basilicata

Il viadotto Pietrastretta

Il viadotto, costruito nel 1970, era seriamente danneggiato in corrispondenza delle nervature in precompresso. La presenza di un quadro fessurativo diffuso e il continuo percolamento dell’acqua salmastra rinveniente dallo scioglimento del ghiaccio mediante lo spargimento di sali durante il periodo invernale hanno provocato la parziale corrosione dei cavi di acciaio armonico da precompresso e la conseguente riduzione della capacità portante dell’impalcato del viadotto.

In una prima fase è stata condotta una campagna di indagine volta a valutare appunto le residue resistenze del viadotto e in particolare sono stati eseguiti prove di caratterizzazione meccanica del calcestruzzo, ispezioni endoscopiche sui cavi di precompressione, misurazioni estensimetriche per la determinazione dello stato di compressione residuo agente sulle sezioni delle travi nonché prove di rilascio sui fili dei cavi di acciaio armonico per la stima dello sforzo normale di precompressione agente negli stessi.

La travata tipica
1. La travata tipica

Successivamente, sulla scorta dei risultati delle prove in sito, sono stati progettati gli interventi di riparazione e di consolidamento delle strutture danneggiate, consistenti essenzialmente nella messa in opera di cavi esterni in acciaio armonico oltre che di nastri di fibre di carbonio all’intradosso delle nervature.

Queste ultime sono state considerate a guisa di armatura lenta aggiuntiva con la finalità di contenere in limiti accettabili lo stato di coazione indotto dalla precompressione aggiuntiva assorbendo le eccedenze di trazione nella parte inferiore della trave ai fini delle verifiche a fessurazione. Infine, è stata effettuata la validazione delle opere di rinforzo effettuate mediante opportune prove di carico statico.  

Descrizione delle strutture del viadotto

Il viadotto è costituito da due carreggiate affiancate ciascuna divisa in 21 campate semplicemente appoggiate su spalle e pile in c.a.; l’impalcato è realizzato con tre travi in c.a.p. a doppio T con altezza variabile da 1,75 m sugli appoggi a 2,70 cm in mezzeria, poste ad interasse di 3,25 m e collegate da quattro traversi di campata e dai due traversi di testata.

La campata danneggiata
2. La campata danneggiata

La soletta in c.a.o. è gettata in opera e ha uno spessore costante di 20 cm; la luce di calcolo della travata è di 43,75 m mentre la larghezza complessiva dell’impalcato è di 9,50 m di cui 8,50 m carrabili. Le travi risultano precompresse da sei cavi post tesi disposti su due registri (5+1); ciascun cavo è composto da 16 trefoli in acciaio armonico per un’area complessiva di 14,9 cm2 (Figura 1 sopra). La tensione di esercizio di tutti i cavi era originariamente stata assunta pari a 1.000 MPa. 

Lo stato di danno

La struttura attualmente si trova in condizioni di dissesto a causa dell’avanzato stato di corrosione dei trefoli di precompressione che, perdendo parzialmente di efficacia, hanno determinato la riduzione di margini di sicurezza rendendo l’opera non utilizzabile con i carichi ordinari di esercizio previsti dalle Norme.

In particolare, la trave di bordo sulla corsia di marcia della campata n° 7 (km 23+300) in direzione Sicignano della carreggiata Nord presentava il 50% dei trefoli del primo registro interrotti o ridotti significativamente. Ciò aveva determinato, sotto traffico, il superamento del momento di fessurazione ed il raggiungimento di condizioni globali di sicurezza prossimi alla rottura.

Cavi di precompressione
3. L’ispezione videoendoscopica dei cavi di precompressione

Come mostrato in Figura 2 sopra, almeno tre cavi appaiono fortemente danneggiati tanto da risultare interrotto circa il 50% dei trefoli del primo registro così come le armature lente sia longitudinale che trasversali. 

La valutazione dello stato di fatto

Per la definizione dello stato di fatto dell’impalcato è stata condotta un’approfondita campagna di indagine tesa al rilievo strutturale dell’opera compresa la determinazione del numero, della tipologia e del tracciato dei cavi di acciaio armonico e, non ultime, delle caratteristiche fisico meccaniche dei materiali in sito.

Particolare attenzione è stata rivolta alla determinazione dello stato di coazione residua nelle singole travi oltre che della integrità dei cavi di precompressione. Nel dettaglio sono state eseguite le seguenti attività di indagine:

  • rilievo geometrico dell’impalcato;
  • determinazione del tracciato dei cavi mediante un Pacometro Hilti Ferroscan FS10;
  • ispezione visiva dei cavi in diverse sezioni lungo le travi mediante un videoendoscopio Everest Vit VP300 (nella Figura 3 sopra sono riportati due esempi di endoscopie che mostrano chiaramente come il cavo indagato non presenti tracce di corrosione ma piuttosto una totale assenza di malta di iniezione);
Misurazione del rilascio del calcestruzzo
4. Lo schema di misurazione della prova di rilascio del calcestruzzo
  • prove di rilascio sul calcestruzzo per la valutazione delle tensioni di compressione presenti nelle sezioni più significative dovute alla precompressione residua e ai carichi permanenti; anche in questo caso, sono state eseguite numerose prove in corrispondenza di diverse sezioni (mezzeria, ai quarti, ecc.) sia su travi integre che su travi danneggiate per un evidente confronto. In breve, la prova di rilascio è consistita nell’installazione di una rosetta di strain-gauges sulla superficie laterale della trave in c.a.p. in posizioni predefinite, nel successivo carotaggio di una carota centrata sulla citata rosetta la cui estrazione produce un rilascio delle tensioni di compressione agenti sul calcestruzzo della carota stessa che viene valutato mediante misure estensimetriche eseguite lungo le tre direzioni prefissate. La descritta prova di rilascio per le modalità assolutamente originali adottate è oggetto di brevetto in corso di registrazione.

Lo stato tensionale effettivamente agente è quindi calcolato moltiplicando la deformazione misurata per il Modulo di Young (in questo caso Ec = 30.000 MPa).

Prove di rilascio sul calcestruzzo
5. Le prove di rilascio sul calcestruzzo: l’altezza dal bordo superiore della parte inferiore della trave

La Figura 4 mostra il protocollo originale messo a punto per la prova di rilascio del calcestruzzo; per la valutazione degli effetti termici è stato posto in opera un quarto strain-gauges, denominato R, in una posizione certamente non attiva e, inoltre, è stato eseguito un piccolo foro sulla carota per il collegamento degli strain-gauges alla centralina di acquisizione.

I risultati dei test eseguiti sono consegnati nella Figura 5; com’è possibile notare, sulla trave in sinistra della campata n° 7 (quella maggiormente danneggiata) sono stati rilevati valori di tensioni invero molto bassi che denotano un’importante caduta di tensione da precompressione:

  • prove di detensionamento sui trefoli costituenti i cavi di precompressione per stimare gli sforzi residui negli stessi. La prova consiste nell’incollaggio di un micro strain-gauges su un filo di un trefolo scelto tra quelli più accessibili del cavo oggetto di prova, nel successivo taglio dello stesso filo con l’accortezza di non danneggiare gli altri (Figure 6A e 6B). La valutazione della tensione di trazione agente nel filo interrotto viene effettuata misurando l’accorciamento elastico del filo mediante lo strain-gauges e moltiplicandolo per il modulo di Young dell’acciaio assunto pari a Es = 210.000 MPa.

  • Prova di detensionamento
    6A Prova di detensionamento
    6A. Prova di detensionamento su trefolo di precompressione
  • Prova di detensionamento
    6B Prova di detensionamento
    6B. Prova di detensionamento su trefolo di precompressione

Come è possibile vedere nelle Figure 6A e 6B, nella quasi totalità dei trefoli sottoposti a prova sono state rilevate deformazioni di circa 3.000 με corrispondenti a valori di tensioni di circa 600 MPa.

Il sistema di rinforzo

La tipologia di intervento adottata, appositamente studiata per il caso specifico, è quella della precompressione esterna applicata mediante cavi di acciaio armonico che trovano contrasto sulle due testate della trave, integrata dall’incollaggio di più strati di fibre di carbonio all’intradosso della nervatura.

L’entità del tiro da applicare è stata desunta grazie alle prove di rilascio di cui sopra mentre il tracciato dei cavi è stato imposto dalla necessità di deviare i cavi, che in campata viaggiano paralleli al bulbo inferiore della trave, verso gli appoggi trovando contrasto in corrispondenza dei due traversi più vicini agli stessi.

  • Elaborato progettuale della soluzione
    7A Elaborato progettuale della soluzione
    7A. Schizzi ed elaborati progettuali della soluzione adottata
  • Elaborato progettuale della soluzione
    7B Elaborato progettuale della soluzione
    7B. Schizzi ed elaborati progettuali della soluzione adottata
  • Elaborato progettuale della soluzione
    7C Elaborato progettuale della soluzione
    7C. Schizzi ed elaborati progettuali della soluzione adottata
  • Elaborato progettuale della soluzione
    7D Elaborato progettuale della soluzione
    7D. Schizzi ed elaborati progettuali della soluzione adottata
  • Elaborato progettuale della soluzione
    7E Elaborato progettuale della soluzione
    7E. Schizzi ed elaborati progettuali della soluzione adottata
  • Elaborato progettuale della soluzione
    7F Elaborato progettuale della soluzione
    7F. Schizzi ed elaborati progettuali della soluzione adottata

Nelle Figure 7A, 7B, 7C, 7D, 7E e 7F sono riportati alcuni elaborati progettuali relativi al tracciato dei nuovi cavi, delle traverse di contrasto in testata per l’ancoraggio degli stessi nonché alcuni schizzi di massima per la definizione delle citate traverse e dei deviatori dei cavi lungo la trave.

Questi ultimi, ciascuno costituito da sette trefoli compatti da ½” viplati per un’area complessiva di 11,55 cm2, sono stati tesati a due a due ad una tensione di circa 600 MPa in modo da ripristinare le capacità portanti originarie della struttura integrando la precompressione residua agente nella stessa.

La sequenza operativa per la messa in trazione delle coppie di cavi è stata studiata in modo tale che lo sforzo di compressione aggiuntivo nelle sezioni della trave aumentasse progressivamente senza brusche variazioni.

Il monitoraggio delle fasi di tesatura dei cavi

Tutte le fasi di tesatura dei cavi esterni aggiunti alla trave danneggiata sono state accuratamente monitorate per verificare il rispetto delle previsioni progettuali sul comportamento strutturale della stessa.

  • Estensimetri sulla trave
    8A Etensimetri sulla trave
    8A. Ubicazione degli estensimetri sulla trave
  • Etensimetri sulla trave
    8B Etensimetri sulla trave
    8B. Ubicazione degli estensimetri sulla trave

A tal fine, la trave del viadotto è stata strumentata in mezzeria e in prossimità degli appoggi per misurare l’evolvere dello sforzo di compressione nel calcestruzzo nonché il valore dello spostamento verticale in mezzeria.

Per la misurazione delle deformazioni sono stati installati 13 strain-gauges di cui quattro in corrispondenza delle sezioni di ciascun appoggio (in prossimità delle testate) e cinque in mezzeria (le Figure 8A e 8B mostrano le posizioni degli strain gauges sulla trave).

In Figura 9 sono consegnate le deformazioni indotte nella trave durante la fase di tesatura dei cavi esterni in funzione dello sforzo crescente di compressione. Nelle Figure 10A e 10B è rappresentato l’andamento delle deformazioni in funzione del tempo e dello sforzo di trazione applicato.

  • La trave durante la tesatura dei cavi
    9 La trave durante la tesatura dei cavi
    9. Risposta deformativa della trave durante la tesatura dei cavi
  • Deformazioni al variare del tempo e del tiro
    10A Deformazioni al variare del tempo e del tiro
    10A. Andamento delle deformazioni al variare del tempo e del tiro applicato
  • Deformazioni al variare del tempo e del tiro
    10B Deformazioni al variare del tempo e del tiro
    10B. Andamento delle deformazioni al variare del tempo e del tiro applicato

L’inflessione della trave del viadotto per effetto della precompressione aggiuntiva è stata misurata in mezzeria mediante livellazione di precisione eseguita con un livello elettronico Trimble DiNi12 e stadie invar.

La Figura 11A mostra i risultati del monitoraggio della freccia in funzione del tempo e dello sforzo applicato: come può notarsi in mezzeria, durante la tesatura dei cavi stata rilevata una controfreccia di circa 22 mm; infine, nella Figura 11B è rappresentata la controfreccia elastica in funzione dello sforzo totale applicato.

Nelle Figure 12A, 12B, 12C, 12D e 12E sono riportate le viste di tutti i dettagli dei dispositivi di ancoraggio dei cavi esterni. Alle due estremità (testate) della trave, opportunamente sagomate e rinforzate con betoncino ad alta resistenza, sono state poste in opera tre traverse in acciaio per l’ancoraggio delle tre coppie di cavi disposte sulle due facce della trave precompressa oggetto di intervento.

  • Flessione durante il tensionamento dei cavi esterni
    11A Flessione durante il tensionamento dei cavi esterni
    11A. Flessione misurata a metà campata durante il tensionamento dei cavi esterni
  • Flessione durante il tensionamento dei cavi esterni
    11B Flessione durante il tensionamento dei cavi esterni
    11B. Flessione misurata a metà campata durante il tensionamento dei cavi esterni
  • Fasi di tensionamento
    12A Fasi di tensionamento
    12A. Le fasi di tensionamento
  • Fasi di tensionamento
    12B Fasi di tensionamento
    12B. Le fasi di tensionamento
  • Fasi di tensionamento
    12C Fasi di tensionamento
    12C. Le fasi di tensionamento
  • Fasi di tensionamento
    12D Fasi di tensionamento
    12D. Le fasi di tensionamento
  • Fasi di tensionamento
    12E Fasi di tensionamento
    12E. Le fasi di tensionamento

Le prove di carico

L’efficacia dell’intervento sul viadotto è stata verificata sottoponendo l’impalcato a prove di carico statico combinando opportunamente le azioni indotte da otto camion da 40 t; nella Figura 13 è rappresentata, a puro titolo di esempio, una delle condizioni di carico realizzate.

È a notarsi che mediante gli stessi strain gauges usati durante le fasi di tesatura dei cavi esterni è stato possibile misurare le deformazioni nelle sezioni più significative strumentate (schema delle Figure 8A e 8B).

Le inflessioni sono state misurate con una livellazione topografica in mezzeria, ai quarti della luce e sugli appoggi mediante lo stesso apparato prima descritto. I risultati più significativi sono consegnati nelle Figure 14, 15 e 16.

  • Prove di carico statico
    13 Prove di carico statico
    13. Uno schema delle prove di carico statico
  • Deformazioni al variare del tempo e dello sforzo
    14 Deformazioni al variare del tempo e dello sforzo
    14. Andamento delle deformazioni al variare del tempo e dello sforzo applicato
  • Risposta nelle sezioni strumentate
    15 Risposta nelle sezioni strumentate
    15. Risposta in termini deformativi nelle sezioni strumentate
  • Frecce in mezzeria
    16A Frecce in mezzeria
    16A. Frecce in mezzeria
  • Frecce in mezzeria
    16B Frecce in mezzeria
    16B. Frecce in mezzeria

La freccia misurata in mezzeria della trave riparata è stata di 29,41 mm; detto valore è risultato del tutto compatibile con quello teorico calcolato assumendo il modulo elastico del calcestruzzo pari a E = 30.000 MPa. 

Conclusioni

L’intervento della precompressione esterna ha ripristinato uno stato di coazione efficace che ha messo la trave del viadotto in condizione di sostenere in piena sicurezza i carichi mobili previsti dalle Norme vigenti.

A tal proposito, il coefficiente di sicurezza a rottura (η = 1,26) è aumentato fino ad attingere un valore accettabile in pieno accordo con quanto prescritto dalla (> 1,5). È da segnalarsi, infine, un ulteriore innegabile vantaggio ottenuto con l’incremento dello sforzo di compressione nella trave e cioè la riduzione del rischio di fessurazione che di fatto aumenta la protezione dei cavi esistenti alla corrosione.

  • La trave riparata e consolidata
    17A La trave riparata e consolidata
    17A. La trave riparata e consolidata
  • La trave riparata e consolidata
    17B La trave riparata e consolidata
    17B. La trave riparata e consolidata
  • La trave riparata e consolidata
    17C La trave riparata e consolidata
    17C. La trave riparata e consolidata

Infine, il ricorso alle fibre di carbonio all’intradosso della trave dal viadotto ha permesso di contemperare il soddisfacimento della verifica a fessurazione con la ovvia necessità di limitare l’entità della precompressione esterna aggiuntiva.

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