Crollo di un ponte reticolare in cemento armato post-teso durante le fasi di costruzione

Nel corso degli ultimi anni, il verificarsi di diversi crolli di ponti in cemento armato (c.a.), hanno catturato l'attenzione della comunità scientifica e dei progettisti, sulla valutazione delle cause che portano a questi eventi indesiderati.

Le cause più importanti che hanno portato al cedimento di molteplici ponti sono state discusse da diversi autori. Deng et al. [1] hanno classificato i fattori che portano al crollo dei ponti in due grandi categorie:

• (i) fattori naturali (inondazioni, erosioni, terremoti, frane, colate detritiche, uragani, tifoni, vento, ecc.) e

• (ii) fattori umani (progettazione imperfetta e metodo di costruzione, collisione, sovraccarico di veicoli, incendio, attacco terroristico, mancanza di ispezione e manutenzione, ecc.).

Alcune di queste cause sono state identificate anche da Zhang et al. [2], che hanno focalizzato l'attenzione su cinque problemi principali:

• (i) errori di progettazione,
• (ii) errori di costruzione,
• (iii) idraulica,
• (iv) collisione 
• (v) sovraccarico. 

Xu et al. [3] hanno analizzato il crollo di 302 ponti autostradali verificatosi in Cina tra il 2000 e il 2014 a causa di errori umani (di progettazione e costruzione).
In Fan et al. [4] sono state indagate le cause che hanno portato al crollo del ponte di Yangmingtan, avvenuto il 24 agosto 2012 nella città di Harbin, identificando nel sovraccarico del camion una correlazione con il meccanismo di collasso. Diaz et al. [5] hanno indagato le principali cause che hanno caratterizzato il cedimento dei ponti in Colombia evidenziando che: il 36% dei ponti analizzati erano ponti in acciaio e il loro cedimento era correlato a carenze strutturali mentre il restante 64% erano ponti in cemento, dove le cause del crollo erano attribuibili a sovraccarichi.

Analizzando le cause che hanno portato al cedimento dei ponti in c.a., il crollo che si verifica durante il processo di costruzione sembra essere tra i più frequenti [6-12]. Infatti, considerando la costante evoluzione della progettazione architettonica che ha portato alla realizzazione di strutture sempre più complesse, le fasi costruttive richiedono sforzi sempre maggiori [13-15].

All'interno di questa vasta gamma di strutture, i ponti a trave reticolare in c.a. post-tesi si distinguono per la loro complessità tecnica.

Alcuni autori hanno proposto diverse strategie per valutare il meccanismo di collasso di un ponte.

Crespi et al. [16] hanno proposto una procedura efficiente per valutare i meccanismi di collasso di ponti esistenti in c.a. sottoposti a carichi orizzontali, focalizzando l'attenzione sull'azione sismica, introducendo un approccio semplificato per tenere conto dell'influenza degli effetti di corrosione dovuti alla carbonatazione sulla capacità portante dei ponti.

Domenaschi et al. [17] hanno riprodotto il meccanismo di rottura del noto viadotto Polcevera (costruito in Italia) utilizzando l’Applied Element Method, mostrando l'esatta corrispondenza tra il meccanismo numerico e quello reale di collasso. Heng et al. [18] hanno proposto un modello avanzato agli elementi finiti per simulare il cedimento di un ponte in c.a. sottoposto all'impatto di un camion pesante su un pilone.

In questo lavoro, il cedimento di un ponte reticolare in c.a. post-teso pedonale, costruito all'interno di un campus universitario nordamericano utilizzando il metodo Accelerated Bridge Construction (ABC), è stato analizzato in dettaglio attraverso diverse analisi numeriche al fine di valutare le cause che hanno portato all'innesco del meccanismo di collasso.

In particolare, è stata effettuata un'analisi delle fasi costruttive per analizzare l'evoluzione delle azioni interne che agiscono sui diversi elementi strutturali durante il processo di costruzione. I risultati hanno mostrato che il meccanismo di collasso si individua nello scorrimento di un nodo durante la ritesatura del corrispondente elemento diagonale della reticolare.

Infatti, la riapplicazione della post-tensione aveva aumentato la forza assiale dell'elemento diagonale e di conseguenza l'azione di scorrimento sul nodo. Inoltre, uno dei problemi principali è legato alla sottostima delle forze agenti nella trave reticolare e alla sovrastima della capacità portante dei relativi nodi. Il ponte analizzato non è mai stato in condizioni di sicurezza, principalmente perché la superficie di interfaccia dei giunti freddi non ha subito alcun tipo di lavorazione ed è rimasta liscia, contrariamente a quanto ipotizzato in fase di progettazione.

Il ponte reticolare post-teso

Il ponte pedonale reticolare in c.a. post-teso, della lunghezza totale di 81 m, è stato progettato per essere realizzato all'interno di un campus universitario nordamericano. Il ponte è stato concepito come una trave in c.a. a forma di "I", l’ala inferiore della trave funge da impalcato, mentre quella superiore da tettoia. Infine, l'anima è costituita da una trave reticolare non simmetrica (Fig. 1).

Il ponte è costituito da due campate lunghe rispettivamente 29 e 52 metri. Il comportamento strutturale del ponte è assimilabile ad una trave continua su tre appoggi, mentre gli stralli, mostrati in Fig. 1, hanno solo una funzione estetica. È importante notare che l'inclinazione degli elementi strutturali diagonali in c.a. segue la direzione dei cavi, portando a una trave reticolare non simmetrica.

L'impalcato è realizzato in cemento armato precompresso con precompressione sia in senso longitudinale che trasversale mentre, la tettoia, è realizzata in cemento armato precompresso avente l'azione di precompressione che agisce solo in senso longitudinale. Gli elementi strutturali in c.a. sono stati realizzati utilizzando calcestruzzi ad alte prestazioni ottenuti introducendo fumi di silice e ceneri volanti nel mix design del calcestruzzo al fine di avere maggiore resistenza e durabilità.

Gli altri elementi strutturali che caratterizzano la trave reticolare sono realizzati in cemento armato con cavi post-tesi unbounded. La tabella 1 riassume le proprietà meccaniche dei materiali utilizzati.

È importante sottolineare che per il rinforzo in acciaio è stato utilizzato l'acciaio ASTM A615 Grado 60 mentre per le armature e i tiranti post-tesi sono stati considerati rispettivamente l'acciaio ASTM A722 Grado 150 e l'acciaio ASTM A416 Grado 270.

Come accennato in precedenza, il ponte è caratterizzato dalla presenza di tre pile in c.a. che sorreggono la trave reticolare (Fig. 2).

L'impalcato, di 0,45 m di spessore e 9,60 m di larghezza, è caratterizzato dalla presenza di 12 tiranti longitudinali post-tesi (D1-D6) nella campata 1 mentre la campata 2 presenta 6 tiranti longitudinali post-tesi (D7-D9). I tiranti D7, D8 e D9 della campata 2 si trovano nella stessa posizione dei tiranti della campata 1 D3, D4 e D5 ma non ci sono cavi che continuano per tutta la lunghezza di entrambe le campate. Le Figg. 3 e 4 mostrano rispettivamente la sezione trasversale dell'impalcato e la disposizione dei tiranti post-tesi.

Inoltre, l’impalcato ha 65 cavi trasversali post-tesi nella campata principale e 40 in quella secondaria. La tabella 2 (si veda il PDF)  riassume le principali caratteristiche dei tiranti post-tesi dell'impalcato.

La tettoia è caratterizzata da uno spessore pari a 0,30 m e da una larghezza pari a 4,90 m. In questo caso, sono stati utilizzati 8 cavi post-tesi (C1-C4) nella campata 1, mentre nella campata 2 sono presenti altri 6 cavi post-tesi (C1, C4 e C5). È possibile notare che i tiranti C1 e C4 sono continui lungo le due campate e il tirante C5 (campata 2) si trova nella stessa posizione del tirante C2 (campata 1). La disposizione dei cavi post-tesi della tettoia è mostrata in Fig. 5 mentre la Tabella 3 (si veda il PDF dell'articolo) riporta le relative caratteristiche principali.

La trave reticolare in calcestruzzo è realizzata con 24 elementi diagonali e verticali: 12 situati nella campata 1 e altri 12 nella campata 2, che seguono la direzione degli stralli fittizi (Fig. 6).

Gli elementi diagonali sono caratterizzati da una sezione rettangolare 0,53x0,61 m ad eccezione della diagonale 2 che ha dimensioni 0,53x0,91 m. Per quanto riguarda gli elementi verticali, quelli situati all'estremità della trave hanno dimensioni pari a 0,53x0,91 m, mentre i restanti hanno una sezione trasversale pari a 0,53x0,88 m. Si può notare che gli elementi 2, 3, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 e 23 sono post-tesi. La tabella 4, presente nel PDF dell'articolo, riassume le principali caratteristiche degli elementi della trave reticolare.

Come accennato in precedenza, il ponte è stato realizzato utilizzando il metodo Accelerated Bridge Construction (ABC) [25], ipotizzando le seguenti fasi principali:

• 1. Realizzazione delle pile 1 e 3, e delle fondazioni del pilone di mezzeria 2;
• 2. Prefabbricazione della campata 1 posizionata su supporti temporanei nell'area di lavoro del ponte.Questa fase è suddivisa in diverse sottofasi: (i) gettata dell'impalcato, (ii) gettata degli elementi reticolari, (iii) gettata della tettoia. Di conseguenza, l'interfaccia tra gli elementi verticali e diagonali della trave reticolare con l'impalcato e la tettoia è rappresentata da giunti freddi, ovvero discontinuità di getto. Una volta che il calcestruzzo ha raggiunto una resistenza a compressione pari a 41 MPa, si procede alla post-tensione degli elementi seguendo questo ordine: cavi longitudinali dell'impalcato D1, cavi longitudinali della tettoia C2, barre diagonali 2 e 11 della trave, D2-D3-D4-D5-D6 cavi longitudinali dell'impalcato, cavi trasversali dell'impalcato, smontaggio dei supporti temporanei, barre diagonali 3 e 10, barre diagonali 5 e 8 della reticolare, barre diagonali 6 e 7 della trave reticolare e cavi longitudinali della copertura C3. Negli elementi diagonali della reticolate (ad eccezione degli elementi 2-11) è stato applicato un sistema di post-tensione bonded;
• 3. Montaggio della campata 1 e applicazione della post-tensione alle armature longitudinali del pilastro 2. Dopo questo passaggio, la post-tensione applicata agli elementi diagonali 2 e 11 viene rimossa;
• 4. Costruzione della campata 2 considerando la seguente sequenza per l'applicazione della post-tensione negli elementi strutturali: cavi longitudinali dell'impalcato D7, cavi longitudinali della tettoia C5, barre diagonali 15 e 23 della reticolare, barre diagonali 16 e 22 della reticolare, barre diagonali 17 e 21 della reticolare, barre diagonali 18 e 20 della reticolare, barre diagonali 19 della reticolare, cavi longitudinali dell'impalcato D8-D9 e tiranti trasversali dell'impalcato;
• 5. Ponte completato. Completamento del pilastro 2 e posizionamento dei cavi di continuità C1 e C4.

Come riportato in [26], il 15 marzo 2018 si è verificato il collasso del ponte alla fine della fase 3 durante la sua costruzione.

Infatti, a fine febbraio era stata osservata la presenza di diverse fessure in corrispondenza del nodo tra gli elementi 11 e 12 (nodo 11, 12) dopo la rimozione della post-tensione di questi due elementi.

Di conseguenza, venne presa in considerazione la riapplicazione della post-tensione nell'elemento 11 (fase 3a). Durante l'esecuzione di questa fase il ponte crollò (Fig. 7).

In particolare, è importante evidenziare che la ritesatura dell'elemento 11 non era stata considerata durante la fase di progettazione del ponte in cui sono state definite le suddette fasi costruttive.

Infatti, la riapplicazione della post-tensione fece aumentare la forza assiale dell'elemento diagonale e di conseguenza l'azione di scorrimento del nodo. Inoltre, nella relazione di progetto sono state evidenziate numerose contraddizioni: i problemi principali sono stati l'aver sottostimato le forze agenti nella reticolare e l'aver sovrastimato la capacità resistente dei nodi 1, 2 - 2, 3 e 11, 12.

Si può ipotizzare che il ponte non sia mai stato in condizioni di sicurezza, principalmente perché la superficie di interfaccia dei giunti freddi non aveva subito alcun tipo di lavorazione ed era rimasta liscia, contrariamente a quanto ipotizzato dai progettisti. Ciò è accaduto probabilmente perché la lavorazione necessaria non era stata indicata con precisione nel progetto [26].

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Per i riferimenti bibliografici si veda il PDF dell'articolo.