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La verifica delle strutture esistenti: gli aspetti principali

L’importanza dell’individuazione degli elementi principali che caratterizzano la sicurezza delle infrastrutture esistenti e la necessità di formare figure professionali specifiche per l’importanza delle ispezioni

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Immagine di sfondo: photo credit: www.gelestatic.it

In due articoli proposti su “Strade & Autostrade” n° 138 Novembre/Dicembre 2019, rispettivamente a pag. 45 con https://www.stradeeautostrade.it/ponti-e-viadotti/verifiche-monitoraggio-e-manutenzione-dei-viadotti-autostradali/ e a pag. 48 con https://www.stradeeautostrade.it/ponti-e-viadotti/un-metodo-grafico-per-la-valutazione-della-precompressione-residua/, abbiamo trattato gli esiti delle visite ispettive straordinarie per la sicurezza dei viadotti e l’analisi dello stato manutentivo.

Sul successivo n° 139 Gennaio/Febbraio 2020, rispettivamente a pag. 84 con https://www.stradeeautostrade.it/ponti-e-viadotti/le-verifiche-di-sicurezza-slu-e-di-funzionalita-sle/ e a pag. 86 con https://www.stradeeautostrade.it/ponti-e-viadotti/la-verifica-temporanea-delle-strutture-esistenti/, abbiamo approfondito i criteri per effettuare verifiche temporanee di sicurezza delle strutture illustrando l’importanza della scelta delle eventuali misure di mitigazione del danno da applicare, in termini di limitazioni, all’uso dell’opera ovvero di restrizioni al traffico, in relazione alle conseguenze che queste producono sulla circolazione stradale.

Con riferimento ad essi, sulla base delle esperienze maturate sul campo, qui illustriamo l’importanza della fase conoscitiva, e quindi delle ispezioni delle strutture esistenti e dei controlli nel tempo che sulle stesse vanno effettuate.

Si veda infine, in conclusione, l’articolo proposto sul fascicolo n° 140 Marzo/Aprile 2020 a pag. 44 con https://www.stradeeautostrade.it/ponti-e-viadotti/il-monitoraggio-attivo-come-valore-aggiunto-nella-sorveglianza-dei-ponti-e-delle-opere-darte/.

Il monitoraggio e la manutenzione

La valutazione dello stato di salute di un’opera d’arte, e quindi delle eventuali azioni da intraprendere, non può essere codificata attraverso una procedura generalizzata.

Si ritiene, tuttavia, che il giudizio finale non possa prescindere dall’esame dei fattori di seguito indicati con livelli di approfondimento, per ciascuno di essi, funzione della peculiarità stessa dell’opera.

Descrizione e tipologia dell’opera

È fondamentale disporre del progetto originario del viadotto, del collaudo e della contabilità finale. Sarà altresì importante verificare, a campione, la corrispondenza con l’opera realizzata.

Particolare attenzione, nel caso di strutture in c.a.p., deve essere posta nella caratterizzazione geometrica e tensionale dei cavi di precompressione, evitando di assumere le ipotesi progettuali in assenza di un riscontro con saggi e prove.

Monitoraggio
1. (photo credit: www.buildingcue.it)
Geologia e geotecnica

La presenza di eventuali dissesti idrogeologici deve essere accuratamente indagata e nei casi in cui tali dissesti si possano potenzialmente manifestare, particolare attenzione dovrà essere posta nella schematizzazione delle fondazioni adottando modelli di interazione terreno-struttura adeguati.

Quando rilevante è necessario definire la classe di attenzione legata al rischio frane. 

Modifiche progettuali significative

Rispetto al progetto originario, qualsiasi modifica all’opera dovrà essere debitamente tenuta in considerazione nelle verifiche di sicurezza e funzionalità.

Ovviamente non è possibile riportare alcun suggerimento generalizzato, attesa la varietà delle argomentazioni. Si segnala, tuttavia, la singolarità della questione nel caso in cui siano state modificate le strutture con interventi di ampliamento della carreggiata autostradale.

In tal caso si è riscontrato che, spesso, i collaudi statici che si sono succeduti nel corso degli anni hanno riguardato esclusivamente le nuove opere, senza interessare quelle esistenti seppur collegate strutturalmente, assumendo così una valenza intrinseca di collaudo parziale.

Nella maggior parte dei casi ispezionati, non è stata eseguita alcuna prova per verificare il comportamento globale del sistema strutturale. Tale eventualità merita un approfondimento caso per caso.

Analoga segnalazione deve essere fatta in meritoalla introduzione, in carreggiata stradale, di un nuovo sistema di barriere di sicurezza costituito da New Jersey.

Tale sistema potrebbe alterare, oltre al peso permanente portato, le caratteristiche inerziali e la rigidezza dell’impalcato. La circostanza dovrà essere adeguatamente rappresentata nei calcoli del verificatore.

I casi che possono presentarsi sono, come detto, innumerevoli ma per ognuno di essi il verificatore deve effettuare una analisi strutturale di dettaglio.

L’analisi dello stato di conservazione

In alcuni casi è stata riscontrata una discrasia tra lo stato di conservazione delle opere, rappresentato dalle schede manutentive trimestrali redatte dalle Società di controllo e di monitoraggio, e quello indicato dal Progettista incaricato per le verifiche e progetto di adeguamento.

È evidente che lievi differenze sono fisiologiche in relazione al diverso livello di approfondimento tra la fase di ispezione periodica e quella di verifiche di sicurezza ed eventualmente progettazione dell’intervento; una elevata disomogeneità di informazioni, tuttavia, non può essere accettata in quanto denuncia la presenza di errori di valutazione nella gestione del processo manutentivo.

Viadotti
2. Esempio di criticità sul ponte sulla Fiumarella (photo credit: www.ntacalabria.it)

Dalle esperienze maturate sul campo, è possibile stabilire che l’Ispettore oltre a essere specificamente formato nel settore delle strutture da “ponte” deve necessariamente essere un conoscitore del funzionamento del sistema strutturale che va periodicamente ad ispezionare, perché stessi degradi su strutture diverse possono avere conseguenze molto differenti in termini di sicurezza strutturale e/o conservazione del patrimonio infrastrutturale.

Si ritiene, inoltre, che il momento delle verifiche strutturali debba essere valorizzato con le indicazioni necessarie a prevenire la formazione degli ammaloramenti e non solo a prevedere i relativi interventi risolutivi.

Ad esempio, il degrado del calcestruzzo è, nella maggior parte dei casi, conseguenza dell’inadeguato sistema di smaltimento delle acque di piattaforma che penetrano nei giunti trasversali o percolano dai bordi del viadotto, o peggio dalla soletta per assenza di impermeabilizzazione, e attaccano le sottostanti strutture.

Un progetto di intervento che si limiti a risolvere il degrado con il rifacimento del copriferro, è palesemente inadeguato qualora non sia integrato anche dalla soluzione progettuale che consenta di eliminarne la causa, come correttamente previsto al paragrafo 5.1.7.4 “Smaltimento dei liquidi provenienti dall’impalcato” delle vigenti NTC.

Indagini, Livello di Conoscenza (LC) e Fattore di Confidenza (FC)

Fondamentale importanza assume, nelle verifiche di sicurezza e di esercizio, la caratterizzazione dei materiali e delle geometrie delle sezioni resistenti. Si ricorda che nel caso dei viadotti è necessaria l’assunzione di un Livello di Conoscenza LC3 cui corrisponde un fattore di confidenza FC = 1.

Conseguentemente, dovranno essere eseguite indagini e prove ed essere acquisiti documenti progettuali e relazioni sufficienti per garantire la prescritta conoscenza delle strutture.

Né, tanto meno, può essere accettato il principio di assumere un Fattore di Confidenza amplificativo e un Livello di Conoscenza inferiore, ritenendo in tal modo di poter compensare la scarsità di informazioni sull’opera.

Tuttavia, si possono utilizzare livelli di conoscenza differenziati, approfondendo la conoscenza delle parti della struttura per le quali la verifica risulta più limitativa, senza necessariamente estendere tale livello di conoscenza all’intera struttura, tenuto conto del fatto che esistono parti delle strutture difficili e costose da analizzare per le quali la sicurezza può essere valutata anche perseguendo livelli meno accurati.

Un supporto in tal senso può essere fornito dalle “Linee guida e manuale applicativo per la valutazione della sicurezza sismica e il consolidamento dei ponti esistenti in c.a.” elaborate da ReLUIS nel mese di Marzo 2009.

Come già evidenziato, la definizione del tracciato dei cavi di precompressione, la determinazione della precompressione residua e l’eventuale ammaloramento dell’acciaio costituente, può rivestire un aspetto di importanza determinante sia per l’eventuale presenza del controtaglio nella verifica agli SLU, che per la deformabilità e l’eventuale apertura di fessure nelle verifiche agli SLE.

Manutenzione
3. (photo credit: www.tgcom24.it)

Sono pertanto da escludersi verifiche in cui si assuma semplicisticamente il permanere delle condizioni progettuali originarie, relativamente alle cadute di tensione a tempo infinito, normalmente ipotizzate pari al 20%, e alla configurazione geometrica e quantitativa dei cavi.

A tal proposito, il Rapporto di Prova del 28 Marzo 2019 elaborato dall’Università di Roma “La Sapienza”, Facoltà di Ingegneria – DISG a seguito di una prova di carico effettuata sul viadotto Colle Castino della A24, a cassone semplicemente appoggiato, riferisce che è stata riscontrata una caduta di tensione dei cavi di precompressione dell’ordine del 30-35% a fronte di una previsione del 20%.

Il valore della precompressione residua riscontrato era in questo caso allineato con i risultati delle prove di rilascio tensionale eseguite, preliminarmente, su qualche filo dei trefoli da c.a.p..

Al contrario, la prova di carico a collasso eseguita dall’Università di Trento in data 10-11 Luglio 2019 sul viadotto Alveo Vecchio dell’autostrada A16 Napoli-Canosa ha dimostrato attendibile il valore del 25% delle cadute di tensione in parola, praticamente in linea con le previsioni progettuali.

In questo caso, però, le prove di rilascio eseguite si fili dei trefoli da c.a.p. si sono dimostrate completamente non coerenti con i riscontri effettivi, in quanto facevano prevedere un caduta di tensione superiore 40%.

Conseguentemente per la valutazione della precompressione residua devono essere eseguite indagini di dettaglio, per ogni singolo viadotto. Al riguardo si ritiene rappresentativa l’esecuzione di una prova di carico che replichi quella di collaudo.

Il confronto tra le deformazioni attuali e quelle originarie (sotto l’effetto di sollecitazioni equivalenti) costituisce un prezioso elemento di valutazione dello stato di precompressione residua, oggetto dell’indagine.

Analoga attenzione deve essere posta nell’instaurarsi di possibili rotture fragili a seguito delle eventuali variate condizioni di duttilità della struttura e di cui si è già accennato nei paragrafi precedenti.

In particolare, il degrado delle armature longitudinali e trasversali delle pile può vanificare il confinamento delle armature e le capacità dissipative sotto l’azione sismica, rendendo di fatto le strutture fragili. L’analisi della sicurezza sismica non può in nessun caso ignorare un così rilevante aspetto. 

L’analisi dei carichi

I carichi permanenti propri e i permanenti portati, previsti in progetto, devono essere confrontati con i risultati di prove di laboratorio, e con ispezioni e saggi che riguardano la sovrastruttura stradale, le barriere di sicurezza, ecc..

La presenza di barriere integrate, inoltre, modifica l’esposizione all’azione del vento e deve essere adeguatamente tenuta in

considerazione, soprattutto per la variazione delle sollecitazioni sui cordoli (e quindi sulla soletta e/o sugli sbalzi) su cui sono generalmente installate.

Tutti i carichi applicati devono essere coerenti con i valori caratteristici e i coefficienti parziali per le azioni g e di combinazione y prescritti dalle NTC 2018. 

Le verifiche agli SLU e agli SLE

Qualora le verifiche agli SLU non dovessero essere soddisfatte si ricorda l’obbligo, prescritto dal capitolo 8.3 delle NTC 2018, di prevedere interventi di miglioramento o adeguamento strutturale.

Tale interventi consentiranno di eliminare o ridurre le restrizioni all’uso che saranno individuate a seguito di una Domanda che supera la Capacità del sistema.

Per quanto attiene gli SLE, non essendo obbligatorie dalle vigenti NTC, gli standard prestazionali necessari per la salvaguardia del patrimonio autostradale e la sua durabilità e funzionalità dovranno essere predefiniti dal Proprietario congiuntamente al Progettista, seguendo le indicazioni già fornite sull’argomento. 

Monitoraggio e soglie di allerta

Il monitoraggio delle opere d’arte, specialmente di quelle ammalorate, assume un’importanza strategica sia per la sicurezza della circolazione che per la conservazione del patrimonio assentito in concessione.

A riguardo, tuttavia, nel corso dei sopralluoghi eseguiti si è potuto accertare che spesso tale attività consiste nell’acquisizione di un numero sproporzionato di dati, senza che sia effettuata una adeguata analisi critica.

In particolare non è condivisibile la definizione di un piano di monitoraggio senza conoscere le grandezze, i parametri, le deformazioni ecc., che sono ritenute significative a rappresentare lo stato di salute dell’opera.

Pertanto è necessario, preliminarmente, individuare le grandezze da monitorare e definire le soglie di allerta che manifestano il raggiungimento di una situazione di rischio o il mancato raggiungimento dei prefissati standard prestazionali.

Ispezioni
4. (photo credit: www.ilmanifesto.it)

Il monitoraggio di parametri significativi della struttura è sempre un utile strumento per la valutazione del suo stato di salute nel tempo, anche quando non sussistono elementi pregiudizievoli in termini di sicurezza; in tal caso, è sempre necessario definire delle soglie di riferimento.

Nel caso di specie si ritiene, e le prove di carico eseguite lo hanno dimostrato, che siano significative per tale fine le soglie identificative degli Stati Limite di Esercizio, frequenti e rare, e di collasso.

In particolare, per le strutture esistenti ammalorate, a seguito di un’accurata analisi della precompressione residua, è possibile definire le soglie con riferimento ad esempio allo stato di sollecitazione e deformazione associato allo stato limite di esercizio relativo alla condizione di carico derivante dalle eventuali limitazioni d’uso legate al degrado riscontrato.

Le soglie di allerta si identificano nei valori tensodeformativi associati a tali stati di riferimento, opportunamente ridotti con coefficienti di sicurezza proporzionati all’evento negativo.

Il monitoraggio delle strutture deve accertare in quale stadio deformativo-tensionale ci si trova, ed essere integrato da una procedura di gestione delle emergenze al superamento di ogni soglia come sopra definita.

Questo per quanto attiene i sistemi di monitoraggio tradizionali. Uno scenario che ci si auspica possa svilupparsi nel prossimo futuro è, nell’ambito del monitoraggio, il controllo dell’input (storie di carico) piuttosto che della risposta strutturale: una sfida in tal senso è l’adozione sistematica delle “pese dinamiche” dei mezzi che circolano sulle infrastrutture esistenti.

L’adozione di tali sistemi può certamente essere un importante deterrente al transito, specie su ponti progettati con carichi di seconda categoria, di mezzi dal peso eccessivo per inottemperanza degli utenti.

In aggiunta, UIT Roma sta valutando la possibilità di utilizzare in maniera sistematica l’interferometria (SAR) per il rilievo e il confronto deformativo dei viadotti in epoche successive, in maniera analoga a quanto già pubblicato dal giornale scientifico MDPI nell’articolo “Pre-collapse Space Geodetic Observations of Critical Infrastructure: The Morandi Bridge, Genoa, Italy” pubblicato il 12 Giugno 2019.

A tal proposito si ritiene necessario che le Società Concessionarie verifichino la disponibilità di dati e rilievi satellitari che interessano i viadotti e i ponti di propria competenza, al fine di ricostruire eventuali deformazioni storiche delle opere d’arte e/o loro componenti.

Di particolare interesse è, infine, il c.d. Monitoraggio Attivo, che di seguito si riporta secondo la memoria redatta specificatamente dall’Autore e che rappresenta un metodo globale di valutazione.

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