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La verifica temporanea delle strutture esistenti

L’importanza della valutazione nell’attuare misure di mitigazione del danno da applicare, in termini di limitazioni, all’uso dell’opera ovvero di restrizioni al traffico, tenuto conto delle implicazioni che queste comportano

sfondo acanfora

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 n° 139 Gennaio/Febbraio 2020 a pag. 84 con https://www.stradeeautostrade.it/ponti-e-viadotti/le-verifiche-di-sicurezza-slu-e-di-funzionalita-sle/, 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.

Si vedano infine, in conclusione, gli articoli proposti sul fascicolo n° 140 Marzo/Aprile 2020 rispettivamente a pag. 40 con https://www.stradeeautostrade.it/ponti-e-viadotti/la-verifica-delle-strutture-esistenti-gli-aspetti-principali/ e 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/ nei quali abbiamo trattato l’importanza della fase conoscitiva, e quindi, delle ispezioni delle strutture esistenti e dei controlli nel tempo che sulle stesse vanno effettuate e dei sistemi di monitoraggio basati su un approccio innovativo, denominato “Monitoraggio Attivo”.

La presente memoria riporta in forma sintetica un criterio di verifica temporanea delle strutture esistenti, in particolare dei ponti intesi nell’accezione più ampia prevista dalle Norme Tecniche per le Costruzioni del 17 Gennaio 2018 (nel seguito, NTC 2018).

Nello specifico, il presente documento vuole concentrare l’attenzione:

  • sulla gestione dell’arco temporale che intercorre tra la segnalazione di un’anomalia rilevante da un punto di vista statico (eventi eccezionali come urti di veicoli eccedenti la sagoma ammissibile, evidenza di degrado rilevante a un componente strutturale, ecc.) e la messa in opera dell’intervento di riparazione;
  • sulla gestione dell’arco temporale che riguarda la durata di lavori programmati che possono interferire con la gestione autostradale;
  • sulla gestione dell’arco temporaneo necessario all’esecuzione di un intervento pianificato su un componente strutturale o su un’intera struttura;
  • sulla gestione di situazioni analoghe, di durata limitata, assimilabili alle precedenti.

In tale transitorio temporale, la cui durata potrà presumibilmente variare da pochi mesi – nel caso di interventi di somma urgenza, a pochi anni, nei casi meno gravi in cui è comunque previsto di monitorare l’evoluzione del degrado – è necessario infatti stabilire se vi sia la necessità di imporre misure di mitigazione del danno, da attuare in termini di limitazioni all’uso dell’opera ovvero di restrizioni al traffico, tenuto conto delle implicazioni che queste comportano.

Degrado
1. (photo credit: www.cityrumors.it)

Si ritiene utile effettuare preventivamente una breve descrizione del quadro normativo che attualmente non disciplina pedissequamente tali situazioni che risultano di elevato interesse per la collettività, in quanto direttamente impattanti sulle scelte da effettuare nella gestione della circolazione autostradale, e quindi della sicurezza dei relativi utenti.

Per tale ragione, il presente documento vuole proporre un approccio metodologico per le cosiddette “analisi di transitabilità”, ovvero per le analisi strutturali locali di ponti e viadotti aventi validità limitate al tempo necessario alla risoluzione della problematica riscontrata o all’esecuzione dell’intervento programmato e/o di riparazione resosi necessario.

Lo scopo è quello di valutare in modo strutturato se e quando siano necessarie eventuali limitazioni al transito. La metodologia illustra sinteticamente, in sostanza, una modalità di applicazione delle verifiche di sicurezza delle vigenti Norme tecniche, legate alla gestione dell’arco di tempo denominato “tempo di riferimento” (tref).

Lo studio della sicurezza locale dell’elemento strutturale deve essere esteso a tutti gli elementi con esso interagenti, andando ad individuare l’unità strutturale minima di riferimento.

Si cercherà in breve di illustrare come la metodologia proposta segua esattamente il solco tracciato dal Legislatore, in linea anche con i principi introdotti dai codici internazionali a cui le vigenti NTC si ispirano, come noto.

Tutte le Norme più evolute, e quindi anche quella italiana, prevedono diversità di trattamento tra costruzioni nuove ed esistenti. All’uopo si rammenta che in Italia per la prima volta il Legislatore ha introdotto dei criteri di verifica differenti per le strutture esistenti rispetto a quelle nuove con l’emissione, nel 2003, dell’O.P.C.M. 3274 e s.m.m.i.i. che, tuttavia, si riferiva esclusivamente alla valutazione della resistenza sismica delle strutture esistenti.

Essa, comunque, costituiva l’unico riferimento tecnico per valutare la risposta delle strutture esistenti anche sotto l’effetto delle altre azioni; tale scenario si è modificato con l’emissione delle NTC 2018 che prevedevano in linea di principio i medesimi criteri di verifica introdotti dall’O.P.C.M. per le strutture esistenti, ma questa volta con riferimento a tutte le azioni previste per esse, e quindi non solo per quelle sismiche.

Come noto, infine, le vigenti NTC 2018 costituiscono la naturale evoluzione delle precedenti NTC con specifici aggiornamenti. Da quasi due decenni, quindi, il Legislatore ha riconosciuto la necessità di differenziare i criteri di verifica delle strutture esistenti da quelli di progetto delle costruzioni nuove; infatti, al paragrafo “2.1 Principi Fondamentali”, le NTC 2018 recitano “Per le opere esistenti è possibile fare riferimento a livelli di sicurezza diversi da quelli delle nuove opere…”.

Le principali novità introdotte, di interesse per il presente documento, oltre alla possibilità di sfruttare maggiormente i materiali delle strutture esistenti attraverso la definizione accurata del livello di conoscenza con l’impiego dei corrispondenti fattori di confidenza, riguardano l’introduzione della Vita Nominale della struttura (VN) e la dipendenza delle azioni dalla finestra temporale di osservazione (tref).

Infatti le vigenti NTC al paragrafo 2.5.2 stabiliscono che “Nel caso di azioni variabili caratterizzate da distribuzioni dei valori estremi dipendenti dal tempo, si assume come valore caratteristico quello caratterizzato da un assegnato periodo di ritorno.

Per le azioni ambientali (neve, vento, temperatura), il periodo di ritorno è posto uguale a 50 anni, corrispondente a una probabilità di eccedenza del 2% su base annua; per le azioni da traffico sui ponti stradali il periodo di ritorno è convenzionalmente assunto pari a 1.000 anni”.

Esse si riferiscono tanto alle strutture nuove quanto a quelle esistenti seppure quest’ultime abbiano già scontato parte della propria Vita Nominale. Le azioni da traffico presentano oggettivamente un periodo di ritorno estremamente elevato che è certamente giustificato per le costruzioni di nuova realizzazione.

Allo stato attuale, la metodologia proposta assume per le verifiche di transitabilità delle strutture esistenti gli stessi valori delle azioni prescritte per le strutture di nuova realizzazione, come previsto dal Legislatore, proponendo invece l’uso di fattori parziali di sicurezza lato azioni giustificati e lievemente ridotti nelle verifiche allo Stato Limite Ultimo (SLU).

Strutture
2. (photo credit: www.ilpescara.it)

Le azioni impiegate sono quindi immutate, mentre i relativi moltiplicatori che fanno passare le azioni dai valori caratteristici (aventi una probabilità di eccedenza dell’x% nel periodo di riferimento) ai valori di progetto (aventi una probabilità di eccedenza dell’y% – con y < x – nello stesso periodo di riferimento) vengono diminuiti tenendo conto del fatto che il periodo di validità (periodo di riferimento) delle verifiche di transitabilità è estremamente ridotto, per cui la probabilità di eccedenza della generica azione considerata risulta molto contenuta e in linea, se non minore, a quella associata al tempo di riferimento assunto per le costruzioni nuove.

Allo stato dell’arte il Legislatore, già con le NTC 2008, ha mostrato una particolare attenzione alla definizione delle azioni di calcolo per le strutture esistenti, seppure con riferimento esplicito a quelle permanenti.

In particolare per le verifiche di sicurezza allo SLU, le uniche previste per le strutture esistenti in relazione ai contenuti del presente documento, al § 8.5.5 le NTC 2018 stabiliscono che “Per i carichi permanenti, un accurato rilievo geometrico-strutturale e dei materiali potrà consentire di adottare coefficienti parziali modificati, assegnando a γG valori esplicitamente motivati”.

La motivazione dell’uso di coefficienti parziali ridotti per le strutture in c.a. e c.a.p. sono da ricercare nel Codice Modello fib “Partial Factor Methods for Existing Concrete Structures” (2016) fib Bulletin 80, ISBN 978-2-88394-120-5) e negli ulteriori documenti fib che, come noto, costituiscono la base dell’Eurocodice (introdotto come Norma di riferimento dalle NTC al §12).

La possibilità di impiegare il codice fib è consentita dal Legislatore, il quale al §12 stabilisce … “possono essere utilizzati anche altri codici internazionali; è responsabilità del Progettista garantire espressamente livelli di sicurezza coerenti con quelli delle presenti Norme tecniche”.

In particolare, ad oggi il documento più avanzato è il Bollettino 80 “Partial factor methods for existing concrete structures”, 2016.

Si fornisce di seguito qualche cenno sul metodo Adjusted Partial Factor Method (APFM) descritto dal fib80 che correla i coefficienti di sicurezza all’indice di affidabilità b per la ricalibrazione dei fattori parziali di sicurezza γG (coefficente parziale per azioni permanenti), γQ (coefficente parziale per azioni variabili) e γR (coefficente parziale per resistenza dei materiali), funzione della finestra temporale di osservazione (tref).

L’utilizzo di tali parametri ridotti, validi secondo il fib80 per tutta la vita residua della struttura esistente, viene cautelativamente assunto alla base del criterio di verifica di transitabilità che come anticipato riguarderà la gestione di un arco temporale molto più piccolo, ovvero di alcuni mesi o al massimo di pochi anni.

Nel calcolo di tali coefficienti, si assume una luce delle campate di circa 35-40 m e una vita residua di circa 25-30 anni, ben superiore all’arco temporale a cui fa riferimento la presente proposta, come precedentemente descritto, operando in tal senso a vantaggio di sicurezza. In tutti i casi, le valutazioni successive sono effettuate con riferimento alle strutture strategiche, definite nel fib80 come Classe di Conseguenza Superiore CC3.

Da tale documento si evince che il valore di γG è dato dal prodotto del valore di γEd.G che tiene conto delle incertezze di modello e del valore γg che tiene conto della variabilità delle azioni.

Per le nuove costruzioni, il valore di γEd.G viene assunto pari a 1,05; per le costruzioni esistenti per le quali si raggiunge un livello di conoscenza molto accurato, è possibile eliminare le incertezze di modello legate alle azioni dei pesi propri per cui è possibile assumere γEd.G = 1,00.

Il valore di γg viene invece valutato in funzione del “reliability index” β e della variabilità delle azioni mediante il coefficiente di variazione COV.

In particolare si ha:

formula 1_

dove:

  • 𝛼𝐸 = fattore “azioni prevalenti” viene assunto pari a −0,7;
  • 𝛽 = per le costruzioni nuove vale 3,8 e per quelle esistenti circa 2,8 (in tutti i casi considerando una Classe di Conseguenza Superiore CC3).

Quindi, per i ponti di esistenti:

formula 2_

Analogamente, per i carichi accidentali si ha:

formula 3_

e sostituendo i valori per luci e vita residua ricorrenti precedentemente riportati:

formula 4_

Si fa notare che, per le strutture nuove, i coefficienti parziali assumono valore pari a 1,35 tanto per le azioni permanenti quanto per quelle variabili e risultano esattamente pari a quelli previsti dalle vigenti NTC 2018.

Si rammenta che β è funzione della luce del ponte e del tempo di riferimento e pertanto per casi specifici, significativamente diversi da quelli più rappresentatiti indicati nel presente documento, si rimanda al richiamato bollettino fib80.

Allo stesso modo, solo per completezza, si evidenzia che il fib80 consente per le strutture esistenti anche l’uso di un fattore di sicurezza parziale per i materiali ridotto, 𝛾R, il quale, tuttavia si applica come noto esclusivamente alle verifiche di resistenza dei meccanismi fragili, e per brevità non sarà discusso nel presente documento.

Sulla base di quanto illustrato finora è possibile concludere che:

  • le NTC 2018, al § 8.5.5 consentono di effettuare verifiche di strutture esistenti adottando valori di 𝛾𝐺 ridotti in casi motivati, ritenendo le stesse valide per tutta la durata della vita residua della costruzione (fino a quando non variano naturalmente le condizioni al contorno che richiedono nuove verifiche);
  • alcuni codici internazionali (fib80 2) a cui si ispirano gli Eurocodici, espressamente richiamati al § 12 delle vigenti NTC18, consentono di effettuare in maniera sistematica verifiche di strutture esistenti adottando valori di 𝛾𝐺, 𝛾Q e 𝛾R ridotti, aventi validità per tutta la durata della vita residua della costruzione.
Danno
3. (photo credit: www.headtopics.com)

Prendendo spunto da tali concetti riconosciuti dalla comunità scientifica nazionale e internazionale nonché dalle vigenti Norme tecniche italiane per alcuni casi in modo molto esplicito, si propone – operando sicuramente a vantaggio di sicurezza – di effettuare le verifiche di transitabilità (verifiche che riguardano la gestione di un arco temporale ridotto sotto particolari condizioni di esercizio come ampiamente discusso in precedenza), adoperando le colonne di carico convenzionali previste dalle vigenti Norme tecniche con fattori di amplificazione degli stessi nella combinazione di carico allo SLU lievemente e giustificatamente ridotti rispetto a quelli previsti per le costruzioni nuove per i motivi ed entro i limiti ampiamente illustrati in precedenza, ma comunque non inferiori ai limiti precedentemente riportati.

In sintesi, limitatamente alle verifiche di transitabilità (aventi validità per la gestione di un arco temporale al massimo di pochi anni) i valori dei coefficienti parziali di sicurezza lato azioni da adottare per le verifiche allo SLU devono essere ricompresi, per i casi usuali precedentemente illustrati, nei seguenti intervalli:

formula 5_

nel rispetto della sicurezza strutturale disciplinata dalle vigenti Norme tecniche; il mancato soddisfacimento delle verifiche temporanee con tale criterio richiede l’attuazione di limitazioni all’uso e/o restrizioni da studiare caso per caso nell’interesse della collettività, in quanto le stesse risultano direttamente impattanti sulla sicurezza della circolazione autostradale.

Si veda, in conclusione, l’articolo a pag. 40, con https://www.stradeeautostrade.it/ponti-e-viadotti/la-verifica-delle-strutture-esistenti-gli-aspetti-principali/, proposto sul fascicolo n° 140 Marzo/Aprile 2020.

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