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Ponte Genova San Giorgio: le fasi costruttive e la loro analisi numerica

Dopo una sintetica esposizione della concezione strutturale del nuovo ponte Genova San Giorgio, vengono approfonditi alcuni argomenti che riguardano le fasi costruttive dell’opera e la loro analisi numerica, sottolineando gli aspetti di interazione fra modellazione, sviluppo della progettazione e attività di cantiere

Fra i molti aspetti significativi nella realizzazione del nuovo ponte Genova San Giorgio (Figura 1) [1 e 2], va annoverata la progettazione delle fasi di montaggio e la verifica del rispetto delle previsioni di calcolo nelle condizioni in sito.

In questo articolo viene descritto come questo sia stato realizzato nelle diverse fasi, la relativa modellazione numerica e le modalità di interazione fra il cantiere e l’ingegneria, nel quadro generale di urgenza del completamento dell’opera (https://www.cspfea.net/midas-civil/).

L’opera

Sviluppato in accordo alla concezione progettuale dell’Arch. Renzo Piano, il ponte attraversa la valle del Polcevera a una quota di circa 56 m sul piano campagna, per uno sviluppo di 1.067,17 m, in una zona fortemente antropizzata e con presenza di rilevanti sottoservizi.

Poggiato su snelle pile cave ellittiche, l’impalcato del ponte è a struttura mista acciaio-calcestruzzo con schema statico di trave continua sulla intera lunghezza, Figura 2. Pure continua è la rampa di innesto, anch’essa con impalcato a sezione mista.

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    1. Il nuovo ponte Genova San Giorgio (photo credit: Filippo Vinardi)
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    2. La planimetria e il prospetto dell’opera

La luce corrente dell’asse principale è di 50 m, con tre luci di 100 m ciascuna per lo scavalco del torrente Polcevera e del fascio ferroviario, più le due campate di riva di 40,9 m e 26,27 m, per un totale di 19 campate. La sezione di impalcato comprende un nucleo a cassone con intradosso curvilineo e due anime verticali flangiate.

La soletta collaborante è gettata su predalles collaboranti in calcestruzzo armato per le campate da 50 m e su predalles in acciaio pure collaboranti per quelle da 100 m, Figura 3. L’interasse fra le anime è di circa 7 m, per una larghezza complessiva del nucleo a cassone di circa 10 m.

Le porzioni laterali di impalcato sono costituite da strutture secondarie portate a sbalzo con intradosso curvilineo, a seguire il contorno dei carter, sempre in acciaio, che definiscono la forma dell’impalcato. L’altezza del nucleo è di poco meno di 5 m.

Il sistema di vincolo prevede il controllo passivo della risposta sismica tramite pendoli ad attrito (friction pendulum), presenti sulla maggior parte dei punti di appoggio. Il montaggio dell’impalcato è stato effettuato su appoggi temporanei in neoprene e teflon, con opportuni punti fissi, a un livello di circa 200 mm superiore a quello definitivo (Figura 4).

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    3. La sezione di impalcato
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    4. Il sistema di vincolo nelle fasi di realizzazione: sono visibili gli appoggi temporanei, quelli definitivi e il sistema di martinetti per la movimentazione verticale

Le fasi progettuali

L’urgenza della realizzazione ha condizionato attività di ingegneria, forniture e cantiere, con la necessità di condurre attività in parallelo e la conseguente complessità organizzativa nell’ottenerne l’efficace completamento nei tempi.

In particolare, si è proceduto direttamente allo sviluppo del progetto esecutivo, che è stato comunque suddiviso in tre livelli:

  • il primo è stato sviluppato sino alla definizione necessaria per consentire l’avvio delle forniture di materiali e in particolare dei lamierati per la realizzazione dell’impalcato;
  • il secondo, nel seguito indicato come esecutivo tout court, ha compiutamente definito l’opera e ne ha determinato lo stato di sollecitazione e quindi di sicurezza;
  • il terzo, nel seguito indicato come costruttivo, ha completamente sviluppato le fasi costruttive, le modalità di messa in opera e i conseguenti dettagli costruttivi.

Le attività di ingegneria connesse con le fasi costruttive sono proseguite durante la realizzazione, sia per sviluppare eventuali adattamenti resisi necessari rispetto al progetto, sia per la verifica dell’ottenimento delle prestazioni previste. 

progetto esecutivo
5. Lo schema delle modalità di montaggio dell’impalcato nelle valutazioni numeriche di progetto esecutivo

Le modalità costruttive nel progetto esecutivo

Il progetto esecutivo è stato sviluppato in fasi temporali nelle quali il Contraente non poteva ancora avere compiuta conoscenza della disponibilità degli spazi e delle attrezzature sia disponibili che più opportune per la messa in opera degli impalcati.

La rilevanza degli effetti strutturali delle sequenze di montaggio richiedeva comunque uno studio approfondito che è stato svolto, a fini di analisi dello stato di sollecitazione, in una serie di assunzioni semplificate, i cui aspetti più significativi possono essere così sintetizzati:

  • montaggio per tutte le campate di un concio di testa pila e susseguente sollevamento in verticale del restante segmento di campata tramite strand jack (Figura 5);
  • segmenti di campata che al sollevamento sono completi di tutte le strutture secondarie, carter, predalle, armature della soletta e attrezzaggi interni di impalcato;
  • segmenti di campata collocati sui conci di testa pila con schema di semplice appoggio, per essere poi tutti saldati e resi continui. Ad impalcato completato, vengono impresse coazioni – costituite da spostamenti impressi verso l’alto di 48 mm – in corrispondenza degli appoggi delle pile 7 e 12;
  • getto della soletta collaborante che avviene in un unico istante.

Le modalità esecutive nel progetto costruttivo

Più complessa e dipendente da fattori molteplici si è rivelata essere la sequenza di montaggio effettivamente adottata, fra questi:

  • la convenienza di effettuare con gru piuttosto che con strand jack la maggior parte dei sollevamenti per le campate da 50 m, per la maggiore flessibilità della compatibilità di posizione a terra degli elementi da sollevare e la possibilità di traslazione orizzontale che gli strand jack non offrono, a fronte di una loro maggiore capacità di sollevamento;
  • la disponibilità di gru di grande capacità e le possibili collocazioni rispetto ai punti di sollevamento, con diversa possibile portata, che ha condotto a sollevare campate diverse con installati elementi secondari in misura e posizione diversa (Figura 6), mentre gli stand jack sono stati utilizzati solo per le campate da 100 m e per quelle di chiusura (Figura 7);

    • sollevamento
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      6. Il sollevamento con gru: sono visibili le diverse quantità di strutture secondarie installate al sollevamento per campate adiacenti
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      7. Il sollevamento con strand jack per le campate da 100 m (photo credit: Fincantieri Infrastructure SpA)
  • l’opportunità, offerta dalle gru e non dagli strand jack, di collocare intere campate al di sopra delle pile, evitando la complessità del preventivo collocamento e vincolamento dei conci di testa pila e riducendo la quantità di saldature in quota;
  • orografia, che per le campate di spalla ha reso opportuna la messa in opera con pile provvisorie.

Per quel che riguarda la sequenza di varo sono state previste due zone di inizio: la prima (Ovest) collocata fra le pile 5 e 6, la seconda (Est) fra le pile 14 e 15, per poi proseguire su quattro fronti di avanzamento sino al completamento, avvenuto con il varo della campata fra le pile 2 e 3.

Il successivo getto della soletta è poi avvenuto in circa un mese (precisamente 26 giorni), avanzando a partire dalle due spalle di levante e ponente verso il centro del ponte; per ultima è stata gettata la soletta della rampa di innesto.

Lo schema di montaggio nel progetto costruttivo è quindi stato diverso e più articolato rispetto alle previsioni di progetto esecutivo, cosa che in assenza di provvedimenti avrebbe portato ad uno stato di sollecitazione diverso da quello previsto.

Per motivi sia di sostanza, connessi con il rimanere all’interno della capacità portante dell’opera, sia più formali, in relazione alla necessità di avere la massima rapidità del processo di validazione e approvazione per messa in opera della Direzione Lavori, si è deciso di imprimere all’impalcato durante il varo una serie di coazioni, sempre consistenti in spostamenti verticali impressi con martinetti, che consentisse di raggiungere a fine montaggio del nucleo in acciaio uno stato di sollecitazione il più possibile vicino a quello previsto in sede di esecutivo, ottenendolo con successo (Figure 8 e 9).

  • acciaio
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    8. I momenti flettenti suppletivi nel nucleo in acciaio indotto dalle coazioni di progetto costruttivo
  • soletta
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    9. Il confronto dell’andamento dei momenti flettenti lungo l’asse principale dell’impalcato fra progetto costruttivo ed esecutivo (getto soletta non collaborante)

La modellazione numerica delle fasi costruttive 

Il nucleo in acciaio

Per il progetto costruttivo è stato redatto un modello ad elementi finiti [3] con elementi di trave 3D sia per il nucleo in acciaio dell’impalcato che per le pile e un sistema di elementi elastici e collegamenti cinematici a rappresentare il sistema di vincolo (Figure 10 e 11).

I vincoli provvisori sono stati rappresentati con elementi elastici di opportuna rigidezza. I pendoli ad attrito sono stati invece rappresentati con un modello costitutivo specifico che implementa le loro proprietà non lineari (Figura 12).

Pure con sistemi di collegamenti cinematici sono stati rappresentati i vincoli temporanei e i sistemi utilizzati per il sostegno degli elementi durante le operazioni di saldatura in quota (Figura 13).

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  • Ponte Genova
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    10. Il modello di calcolo delle fasi costruttive
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    11. Un dettaglio della modellazione del collegamento pila-impalcato
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    12. Il modello costitutivo dei pendoli ad attrito
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    13. Il bilancino di sostegno temporaneo dell’impalcato per la saldatura in quota
La soletta collaborante

Per la modellazione della soletta collaborante e dei relativi effetti lenti è stata adottata una modellazione esplicita con elementi trave 3D distinti per predalles, soletta e armature, preferendola ad una gestione tramite il section designer del software utilizzato, con l’obiettivo di ottenere una più accurata simulazione dell’effetto delle armature nel contrasto al ritiro, assieme a un più agevole riesame dei singoli effetti a fini di verifica, ad esempio a fessurazione.

Le analisi sono poi state condotte per integrazione al passo nel dominio del tempo, con opportune caratteristiche reologiche per il calcestruzzo. La Figura 14 riporta, a titolo esemplificativo, il contributo al momento flettente fornito dal solo ritiro della soletta a tempo infinito.

Il progetto di montaggio e interazione con il cantiere

La modellazione delle fasi costruttive del nucleo in acciaio ha seguito in modo dettagliato le previsioni di cantierizzazione, tenendo conto di tutte le differenze di peso e di configurazione precedentemente descritte. Nella esecuzione sono poi stati sviluppati due ordini di attività:

  • la verifica che variazioni delle sequenze previste fossero compatibili con le prestazioni dell’opera;
  • la verifica in situ che la sequenza di montaggio portasse alle sollecitazioni previste con adeguata approssimazione.

Il secondo aspetto è di palese rilevanza ed è stato affrontato, oltre che con monitoraggio di spostamenti e tensioni, con una procedura specificamente studiata per questo caso.

Il primo passo è stato la presa del carico del ponte con sistemi di martinetti idraulici, per poi procedere al suo progressivo abbassamento sugli appoggi definitivi. Una volta raggiunto il livello previsto, sono state misurate tramite gli stessi martinetti le reazioni scaricate dall’impalcato, che sono state confrontate con tolleranze appositamente predisposte in termini sia di spostamenti che di reazioni, che consentissero un immediato riscontro della correttezza della messa in opera.

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14. Il contributo al momento flettente del ritiro della soletta

L’esito positivo di tale controllo sulle reazioni ha consentito un rapido proseguimento delle operazioni: noti con accuratezza i pesi e le forze agenti lo stato di sollecitazione è infatti determinato in modo univoco.

Il processo si è rivelato pienamente efficace e il suo successo ha dato un contributo al rispetto dei tempi per l’avvio della messa in opera della soletta, che è poi avvenuto anch’esso nei tempi previsti, con il successivo collaudo e completamento per la messa in esercizio del 3 Agosto 2020. 

Ringraziamenti

Gli Autori ringraziano Fincantieri Infrastructure SpA per il consenso alla divulgazione. Un vivo ringraziamento va anche ai molti colleghi che hanno partecipato alle attività esposte in questo articolo e che non compaiono fra gli Autori. 

Bibliografia

[1]. Autori vari – “Speciale Ponte San Giorgio, Genova”, Costruzioni Metalliche, n° 4 Luglio/Agosto 2020.

[2]. Pergenova SCpA, www.pergenova.it.

[3]. MIDAS Civil 2020 by MIDAS information Technology Co., Ltd.

Dati tecnici

  • Stazione Appaltante: Commissario Straordinario per la ricostruzione del viadotto Polcevera dell’Autostrada A10 in Genova
  • Contraente Generale: Pergenova SCpA, Consortile costituita da Webuild SpA e Fincantieri Infrastructure SpA in quote paritarie
  • Project Manager: Ing. Francesco Poma, Pergenova SCpA
  • Progetto preliminare, definitivo ed esecutivo: Italferr SpA
  • Collaudo: Ing. Achille Devitofranceschi di ANAS SpA
  • RUP: Ing. Maurizio Michelini
  • Direzione dei Lavori: Ing. Alessandro Aliotta di RINA Consulting
  • Responsabile Sicurezza: Ing. Emilio Puppo di RINA Consulting
  • Direzione di Cantiere: Ing. Stefano Mosconi di Pergenova SCpA
  • Esecutori dei Lavori: Pergenova SCpA
  • Subappaltatori: Fincantieri Infrastructure SpA, Brixia Cantieri Srl, C.M.M. Fratelli Rizzi Srl, Fagioli SpA e Cossi Costruzioni SpA
  • Importo dei lavori: 202.000.000 Euro
  • Durata dei lavori: 493 giorni
  • Data di consegna: 26 Marzo 2019
  • Data di ultimazione: 31 Luglio 2020

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