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L’esperienza del campo prove “Sicurezza e Infrastrutture” del MIT – seconda parte

Risultati della prova di carico a rottura di un intero impalcato con l’obiettivo di valutare la capacità portante effettiva di una campata isostatica in condizioni reali, considerando lo stato di degrado effettivo e rappresentativo di un’opera costruita negli anni Sessanta e soggetta a manutenzione ordinaria

sfondo uni tn

La prima parte dell’articolo, proposta su “S&A” n° 142 Luglio/Agosto 2020, è online su https://www.stradeeautostrade.it/ponti-e-viadotti/lesperienza-del-campo-prove-sicurezza-e-infrastrutture-del-mit-prima-parte/.

La configurazione dei carichi di prova

Il protocollo di prova [1] comprende una serie di carichi e scarichi con livello di carico crescente. L’unità di carico considerata consiste in un doppio strato di zavorre in acciaio di dimensioni pari a 2.350×1.835×450 mm e peso pari a 10 t ciascuna.

Ciascuno strato è composto da 12 zavorre disposte secondo una matrice di 3×4 elementi a cavallo della mezzeria del ponte, come rappresentato nelle Figure 1A e 1B, per un totale di 240 t.

L’unità di carico è stata scelta in modo da produrre un momento flettente sulla trave più sollecitata di 4.200 kNm, corrispondenti all’effetto del carico mobile di progetto del ponte [2].

Questo stesso momento è anche quello prodotto da un treno indefinito di veicoli a cinque assi da 44 t (pari al peso massimo consentito dal Codice della Strada [3]) tra i quali è inserito, nella posizione più sfavorevole, un mezzo d’opera a quattro assi da 44 t (considerato come carico eccezionale dal Codice della Strada), considerando una distanza di 1 m tra ciascun veicolo.

Questa distribuzione di carico è raffigurata in Figura 2 e corrisponde alla configurazione più gravosa che si può ottenere distribuendo nel caso più sfavorevole due corsie di carichi legali massimi previsti dal Codice della Strada.

  • Viadotto
    1A uni tn
    1A. Lo schema della disposizione di uno strato di zavorre a cavallo della mezzeria campata C3sx del viadotto Alveo Vecchio
  • Alveo Vecchio
    1B uni tn
    1B. Lo schema della disposizione di uno strato di zavorre a cavallo della mezzeria campata C3sx del viadotto Alveo Vecchio
  • Carico
    2 uni tn
    2. La distribuzione di carichi reali legali che produce un momento flettente sulla trave più sollecitata equivalente a quello generato dall’unità di carico scelta

Il sistema di monitoraggio

Per il monitoraggio del comportamento del ponte durante la prova di carico sono stati utilizzati 119 sensori, divisi in otto tipologie [1]: sensori di spostamento a filo, sensori di deformazione, livello elettronico, sensori di temperatura, inclinometri, accelerometri e sensori di emissione acustica.

Le misure sono state acquisite in continuo durante l’intera durata della prova. Sono state eseguite anche prove dinamiche ambientali a ponte scarico e al termine di ogni fase di carico.

Infine, sono stati monitorate temperatura e umidità dell’aria e velocità del vento. Il sistema di monitoraggio è stato definito con l’obiettivo di monitorare le seguenti grandezze:

  • freccia delle travi dell’impalcato;
  • rotazione delle travi dell’impalcato;
  • spostamento relativo tra travi esterne e spalla/pila;
  • spostamento relativo tra soletta in calcestruzzo gettata sul terreno e base di spalla/pila;
  • deformazione della soletta in calcestruzzo posta sul terreno al di sotto dell’impalcato;
  • deformazione della soletta dell’impalcato;
  • abbassamento di spalla e pila;
  • inclinazione di spalla e pila;
  • campo termico degli elementi strutturali e dell’aria;
  • apertura delle fessure in corrispondenza della mezzeria delle travi.

La Figura 5 riporta il numero e le caratteristiche tecniche dei sensori utilizzati [4]. La posizione dei sensori è illustrata in Figura 6. 

  • campata
    3 uni tn
    3. Il posizionamento del primo strato di zavorre sulla campata C3sx del viadotto Alveo Vecchio
  • zavorre
    4 uni tn
    4. Il posizionamento delle zavorre sulla campata C3sx visto dall’alto
  • Sensori
    5 uni tn
    5. Le caratteristiche tecniche e il numero dei sensori installati
  • Travi
    6 uni tn
    6. Lo schema della disposizione dei sensori in pianta e in sezione e lo schema della disposizione dei potenziometri all’intradosso delle travi T1 e T4

Il protocollo di prova

La prova di carico si è svolta in cinque fasi [1], illustrate in Figura 7, precedute da due prove preliminari su pila e spalla necessarie per verificare che la frana del 2005 non ne avesse pregiudicato la capacità portante.

Inoltre, la giornata antecedente la prima prova, sono state eseguite misurazioni ambientali a ponte scarico al fine di compensare gli effetti della temperatura sui risultati della prova.

Le successive prove sono state ottenute caricando e scaricando la campata con il 50% dell’unità di carico, con il 100%, 200%, 300%, e infine portando la struttura fino alla capacità massima.

L’ultima prova è stata interrotta al raggiungimento dello snervamento dell’armatura di precompressione, per un valore di carico di 930 t e un abbassamento superiore ai 300 mm. Le Figure 8A e 8B mostrato la campata C3sx a carico terminato, su cui gravano 93 blocchi, ovvero 930 t.

La Figura 9 mostra la percentuale del momento flettente risultante in ogni prova rispetto al momento flettente indotto dalla combinazione Stato Limite di Esercizio (SLE) rara e frequente secondo le NTC 2018 [5].

Una singola unità di carico produce un momento flettente inferiore a quello risultante dalle combinazioni di carico agli SLE. Con due unità di carico si raggiunge il 150% del momento flettente agli SLE, mentre il 100% si ottiene per un carico di 190 t per la combinazione SLE rara, e di 310 t per la combinazione SLE frequente. 

  • sezione
    7 uni tn
    7. Elenco delle prove eseguite sul viadotto e schemi di carico corrispondenti. Le zavorre che compongono la prima unità di carico sono evidenziate in verde, quelle relative alla seconda unità di carico in giallo, le restanti in rosso
  • momento flettente
    8A uni tn
    8A. Vista frontale della fase di carico della prova P5 (930 t) completata
  • deformazione residua
    8B uni tn
    8B. Vista dall’alto della fase di carico della prova P5 (930 t) completata
  • NTC 2018
    9 uni tn
    9. Valori in percentuale del momento flettente risultante in ogni prova rispetto al momento flettente indotto dalla combinazione Stato Limite di Esercizio (SLE) rara e frequente secondo le NTC 2018

I risultati della prova di carico

In questo paragrafo si riportano alcuni dati significativi acquisiti dal sistema di monitoraggio durante la prova di carico [4]. La Figura 10 riporta l’abbassamento massimo e residuo misurato in mezzeria con i sensori di spostamento a filo e l’allungamento dell’acciaio ad ogni prova.

Si riportano poi, in Figura 11, i diagrammi carico-spostamento relativi agli abbassamenti in mezzeria misurati in corrispondenza delle travi esterne T1 e T4.

I quattro cicli rappresentati in ciascun grafico si riferiscono alle prove carico-scarico P2, P3, P4 e P5. I colori sullo sfondo raffigurano i livelli di zavorre rappresentati in Figura 7. La Figura 12 mostra la deformata della trave T1 e del traverso in mezzeria nelle varie prove.

Infine, le Figure 13 e 14 riportano i valori numerici degli abbassamenti, espressi in millimetri, rispettivamente per la trave T1 e per il traverso di mezzeria. 

  • fessurimetri
    10 uni tn
    10. I valori di abbassamento massimo, di deformazione residua e di allungamento dell’acciaio per le cinque prove di carico
  • campo prove
    11 uni tn
    11. Le curve carico-spostamento relativo all’abbassamento in corrispondenza della mezzeria delle travi T1 e T4 durante le varie fasi della prova di carico
  • protocollo
    12 uni tn
    12. Il diagramma abbassamenti trave T1 e traverso in mezzeria nelle diverse prove
  • acciaio
    13 uni tn
    13. Gli abbassamenti rilevati trave T1 (* valore non rilevato. Il sensore ha raggiunto il fine corsa)
  • ponte
    14 uni tn
    14. Gli abbassamenti traverso in mezzeria (** valore anomalo. Il sensore si è danneggiato durante la prova)

Discussione dei risultati

La trave più deformata risulta essere la T1, con una freccia massima in mezzeria pari a 314 mm a 930 t, maggiore rispetto a quella della trave T4, che raggiunge un abbassamento massimo di 200 mm. Il grafico carico-deformazioni all’intradosso della trave T1, riportato in Figura 15, mostra che la prima fessura si apre con un carico di 330 t.

La tensione residua dell’acciaio è stata calcolata in corrispondenza del valore che induce il carico di fessurazione registrato durante la prova (330 t), e risulta σres = 952 MPa, pari a una perdita di 24% rispetto al valore del tiro iniziale (1.250 MPa). Per una descrizione approfondita dei risultati delle prove si rimanda a [4].

La Figura 16 mostra il quadro fessurativo rilevato in sito durante le prove di carico, con dei riferimenti adesivi gialli e rossi lungo le fessure. Il riferimento giallo indica l’estremità della fessura al termine della prova P3 (480 t), il singolo riferimento rosso al termine della prova P4 (720 t) e il doppio riferimento rosso della prova P5 (930 t).

La Figure 17A e 17B mostrano in azzurro il diagramma “trilatero” carico-spostamento ottenuto per le travi T1 e T4, ove:

  • il primo stadio (I) fino a fessurazione è relativo a un comportamento elastico del materiale con sezione pienamente reagente;
  • il secondo stadio (II) è caratterizzato dalla sezione fessurata della trave, un calcestruzzo modellato con un diagramma parabola rettangolo e l’acciaio in corrispondenza dello snervamento convenzionale;
  • il terzo stadio (III) considera l’armatura della sezione reagente snervata. Possiamo considerare entrambe le travi T1 e T4 snervate per un carico applicato superiore a circa 910 t.

In dettaglio, la Figura 18 riporta le tre diverse rigidezze di inviluppo per ogni stadio delle travi T1 e T4. Dai valori di pendenza dello stadio III, pari al 3-4% della pendenza del tratto elastico (stadio I), possiamo concludere che a 930 t le travi risultano pienamente snervate. 

  • mezzeria
    15 uni tn
    15. Le misure di quattro fessurimetri posizionati sulla trave T1 durante la prova P3 (480 t)
  • Codice della Strada
    16 uni tn
    16. Fessure rilevate in sito dopo 480 t (freccia gialla), dopo 720 t (freccia rossa) e infine dopo 930 t (doppia freccia rossa)
  • Fessure
    17A uni tn
    17A. Gli stadi I, II e III delle travi T1 e T4
  • corsie
    17B uni tn
    17B. Gli stadi I, II e III delle travi T1 e T4
  • monitoraggio
    18 uni tn
    18. Pendenza stadi CLS da inviluppo curve carico-spostamento delle travi T1 e T4

Conclusioni

Il campo prove “Sicurezza e Infrastrutture” del MIT presenta una opportunità unica per testare le prestazioni di un ponte al termine della vita utile in condizioni reali.

Il viadotto Alveo Vecchio, sul vecchio tracciato dell’Autostrada A16, è rappresentativo per tipologia strutturale, vetustà e livello di manutenzione al 70% delle opere in gestione a ASPI. Costruito nel 1968, consiste in due strutture indipendenti, una per carreggiata, composte da tre campate in c.a.p semplicemente appoggiate.

Il test inaugurale ha previsto la verifica diretta della capacità portante di una delle campate del viadotto Alveo Vecchio attraverso una serie di prove di carico con livello di carico crescente.

L’unità di carico scelta consiste in un doppio strato di zavorre in acciaio da 10 t ciascuna, poste a cavallo della mezzeria della carreggiata. Essa produce un momento flettente equivalente a quello indotto dai carichi mobili di progetto, che equivale a sua volta a quello risultante dalla configurazione più gravosa che si può ottenere distribuendo nel caso più sfavorevole due corsie di carichi legali massimi previsti dal Codice della Strada.

Il ponte è stato caricato e scaricato cinque volte, con carichi pari al 50%, 100%, 200%, 300% dell’unità di carico, e infine portando la struttura fino alla capacità massima.

La prova è stata interrotta al raggiungimento dello snervamento dell’acciaio armonico, per una freccia massima superiore ai 300 mm. Il carico ultimo è stato osservato essere quasi quattro volte l’unità di carico (930 t), ovvero a quasi quattro volte il carico massimo che può transitare legalmente.

I risultati ottenuti sono consistenti con la predizione, l’abbassamento massimo misurato è stato di 314 mm, con un residuo a scarico completato di 71 mm.

È previsto che il campo prove “Sicurezza e Infrastrutture” del MIT resti operativo fino ad Agosto 2020. Verrà utilizzato come laboratorio all’aria aperta per testare metodi di prova e di indagine non distruttivi (NDT) con l’obiettivo finale di creare un protocollo per la valutazione della sicurezza dei ponti esistenti.

Le fasi seguenti prevedono lo smantellamento e della campata sottoposta alla prova di carico e alla valutazione approfondita dello stato di danneggiamento creatosi durante la prova, e ad una serie prove di carico fino al carico di progetto su una seconda campata ripetuta in condizioni di danneggiamento progressivo noto indotto artificialmente, per valutare il variare del comportamento al variare dello stato di degrado.

Bibliografia

[1]. Università degli Studi di Trento – “Campo prove Sicurezza Infrastrutture MIT – Protocollo di Prova e Strumentazione Campata C3sx” Trento, 2019.

[2]. SPEA – “Relazione di Calcolo viadotto Alveo Vecchio alla p.k. 39+364.21, opera N*14”, 1966.

[3]. “Nuovo Codice della Strada” (Decreto Legislativo 30 Aprile 1992 n° 285 e successive modificazioni).

[4]. Università degli Studi di Trento – “Campo prove Sicurezza Infrastrutture MIT – Resoconto Prove su Campata C3sx”, Trento, 2019.

[5]. Norme tecniche per le costruzioni approvate con Decreto Ministeriale 17 Gennaio 2018.

La prima parte dell’articolo, proposta su “S&A” n° 142 Luglio/Agosto 2020, è online su https://www.stradeeautostrade.it/ponti-e-viadotti/lesperienza-del-campo-prove-sicurezza-e-infrastrutture-del-mit-prima-parte.

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