Dispositivi di vincolo e antisismici nei ponti: le tipologie, la manutenzione e come sostituirli

Quando ai dispositivi di appoggio di un ponte si affida il compito di assorbire le azioni sismiche diventano dispositivi antisismici che per conservarsi correttamente nel tempo devono essere progettati, manutentati e nel caso estremo sostituiti.

Sul mercato vi sono numerosissime tipologie di appoggi e dispositivi antisismici ben descritte in questo approfondimento di Federico Scafati (InfraEngineering S.r.l.) e Paolo Clemente, (Dirigente di Ricerca ENEA, Presidente ASSISi), in cui dopo una descrizione sulle caratteristiche e sulle funzionalità ne approfondisce gli aspetti di durabilità, di manutenzione per concludere con le indicazioni di progettazione in caso di sostituzione.

A seguire infine si riporta un caso studio relativo al viadotto “Svincolo di Bussi” dell’autostrada A25 Torano-Pescara (Figura 4), realizzato a seguito del terremoto dell’Aquila del 2009 (Mw = 6.1). L’opera, pur risultando operativa dopo dell’evento, è stata oggetto di un intervento di adeguamento sismico, in accordo sia con le NTC 2008 allora vigenti sia con le successive NTC 2018, con sostituzione dei dispositivi di appoggio con dispositivi di isolamento sismico.

 

  

I dispositivi di vincolo o di appoggio nei ponti hanno il compito di trasmettere dalla sovrastruttura, ossia l’impalcato, alle sottostrutture, costituite dalle pile e dalle spalle, le azioni verticali (dovute ai pesi propri strutturali, ai sovraccarichi permanenti, alle azioni da traffico, etc.) e le azioni orizzontali (dovute al vento, alle variazioni termiche, all’attrito, alla frenatura, alle forze centrifughe, agli urti, etc.) in condizioni di esercizio, ma anche le azioni associate a eventi eccezionali (terremoti, frane, alluvioni, etc.). 

I dispositivi di appoggio diventano dispositivi antisismici se viene loro affidato anche il compito di attutire le azioni sismiche orizzontali che dal sottosuolo, attraverso le sottostrutture, raggiungono l’impalcato. In tal caso, i dispositivi devono avere un comportamento ottimale durante i terremoti.

La scelta dei dispositivi da utilizzare in un’opera, e il loro dimensionamento, vanno fatti in funzione delle sollecitazioni e delle deformazioni a cui esso sarà sottoposto nel corso della sua vita utile. Un’errata stima da tali azioni potrebbe comportare un non idoneo dimensionamento dei dispositivi, con possibile comportamento non ottimale in condizioni di esercizio ed in condizioni ambientali eccezionali, per esempio sismiche. Nel passato non sono stati rari i casi di apparecchi di appoggio sottodimensionati, a causa della errata stima degli effetti della temperatura e dei fenomeni lenti nel calcestruzzo, ossia ritiro e viscosità (Petrangeli, 2018). Più frequenti, anzi quasi normali, i casi di ponti e viadotti progettati senza tener conto delle azioni sismiche, perché in zona non ancora classificata, o con azioni sismiche ben inferiori a quelle che le norme attualmente in vigore impongono per le nuove costruzioni. 

Va osservato che, in molti eventi sismici recenti, i valori di picco delle accelerazioni misurati sono stati sensibilmente maggiori di quelli previsti dalle norme (Tortolini et al., 2011). Inoltre, tali eventi (in particolare quello in Abruzzo del 2009) hanno evidenziato che molto spesso sono proprio gli appoggi a rappresentare un punto critico per i ponti (Bartoccini et al., 2020). 

È interessante ricordare che appoggi antisismici sono stati utilizzati, una delle prime volte al mondo, proprio in Italia, per il viadotto Somplago dell’autostrada Udine -Tarvisio, nel 1976 (Clemente 2017, Clemente 2019, Clemente & Martelli 2019); i dispositivi a scorrimento sulle pile e quelli in gomma tra l’impalcato e le spalle, hanno fornito la necessaria protezione al Viadotto durante le scosse dell’11 settembre (magnitudo M = 5.3 e 5.6, rispettivamente) e quelle del 15 settembre 1976 (M = 5.9 and 6.0, rispettivamente), che interessarono il Friuli con epicentri a pochi chilometri dal viadotto. Anche il nuovo Ponte S. Giorgio a Genova è dotato di appoggi antisismici, in particolare isolatori a scorrimento con superfici curve (Vitozzi et al. 2020, Clemente & Ormando 2021). 

  

Ponti: i requisiti e i criteri di base degli appoggi 

Gli appoggi devono essere progettati in modo da consentire gli spostamenti con le minime reazioni possibili e in modo da reagire alle azioni con il minimo spostamento possibile (EN 1377, 2000). In genere, gli appoggi sono rigidi in direzione verticale, al fine di evitare deformazioni e cedimenti differenziali; inoltre, consentono la rotazione relativa fra i due elementi strutturali che collegano e, in funzione delle diverse tipologie, possono:

• impedire gli spostamenti nelle tre direzioni ortogonali tra gli elementi cui sono fissati, realizzando i cosiddetti appoggi fissi; 

• consentire lo spostamento soltanto in una direzione (in genere orizzontale, longitudinale o trasversale) e, in tal caso, si parla di appoggi mobili unidirezionali, 

• consentire gli spostamenti in tutte le direzioni di un piano (normalmente quello orizzontale), ossia sono appoggi mobili multidirezionali.

In termini di forze, in genere, tutti gli appoggi trasmettono le azioni verticali (peso strutturale, carichi mobili di esercizio, etc.) ma si differenziano in funzione della risposta alle azioni orizzontali.

Gli appoggi fissi possono essere: 

• a contatto lineare;
• a contatto puntuale;
• a disco elastomerico;
• a calotta sferica con superfici di scorrimento in PTFE.

Gli appoggi mobili, invece, si suddividono nelle seguenti tipologie:

• a cerniera cilindrica con appoggio a rullo;
• a cerniera cilindrica a contatto lineare con superficie di scorrimento in PTFE;
• a sella cilindrica con superfici di scorrimento in PTFE;
• a cerniera sferica a contatto puntuale con superficie di scorrimento in PTFE;
• a disco elastomerico con superficie di scorrimento in PTFE; 
• a calotta sferica con superfici di scorrimento in PTFE. 

  

  

Gli apparecchi di appoggio si possono suddividere anche in funzione del materiale di cui sono costituiti; distinguiamo così:

• Appoggi in acciaio;

• Appoggi in neoprene;

• Appoggi in neoprene armato.

Il materiale implica un diverso comportamento sia in condizioni di esercizio che sismiche. Gli appoggi in acciaio presentano molti vantaggi, legati essenzialmente alle eccellenti caratteristiche del materiale. L’elevata rigidezza permette di realizzare diverse soluzioni di appoggi fissi; d’altro canto, la straordinaria lavorabilità consente di dare vita a forme e geometrie complesse per la realizzazione di appoggi che contemporaneamente risultino mobili lungo alcune direzioni e fissi in altre. Il punto debole è legato alla durabilità del materiale, soggetto a fenomeni di degrado e corrosione in assenza di una corretta protezione; sono necessarie, quindi, ispezioni e manutenzione.

Gran parte dei ponti esistenti presenta appoggi in neoprene non armato di piccolo spessore, la cui opposizione ad azioni orizzontali è relativamente bassa, in quanto legata alla ridotta rigidezza della gomma (Tortolini et al., 2011). 

Molto diffusi, soprattutto come dispositivi antisismici, sono quelli in neoprene armato, con un comportamento intermedio tra quello di appoggi fissi e mobili. Limitandosi per il momento agli effetti statici, per effetto di una forza verticale di compressione N, la gomma subisce uno schiacciamento pressoché a volume costante con conseguente dilatazione trasversale, impedita in parte dai lamierini di acciaio vincolati agli strati di gomma mediante vulcanizzazione e, quindi, dalle tensioni tangenziali che dipendono da fattori quali il modulo di elasticità tangenziale della gomma, la temperatura, la durata di applicazione del carico, etc. In presenza di azioni flettenti che producono rotazioni, gli appoggi in gomma armata reagiscono mantenendo piane le superfici di contatto con l’impalcato e con le sottostrutture. In definitiva, questi dispositivi sono in grado di reagire ad azioni verticali, orizzontali in tutte le direzioni e flettenti intorno ad un asse qualsiasi. L’entità di tali reazioni dipende dalla rigidezza dell’appoggio e quindi, dal materiale e dalla sua geometria.

Dispositivi o loro componenti possono essere realizzati in politetrafluoroetilene (PTFE), noto come teflon, che ha un basso coefficiente d’attrito, ulteriormente ridotto mediante lubrificazione, e permette di realizzare superfici scorrevoli. Il PTFE non viene aggredito dalla quasi totalità dei composti chimici e conserva le sue caratteristiche in un campo di temperature molto ampio (-80, 250 °C).

   

I dispositivi antisismici

I dispositivi antisismici hanno la capacità di migliorare la risposta sismica, o in generale dinamica, di una struttura, ad esempio incrementandone il periodo fondamentale di oscillazione, limitando le azioni trasmesse alla sottostruttura, etc. Gli isolatori sismici svolgono la duplice funzione di sostegno dei carichi gravitazionali per mezzo dell’elevata rigidezza verticale, e consentono notevoli spostamenti orizzontali grazie alla bassa rigidezza in direzione orizzontale (Buffarini et al., 2012). Si distinguono:

• Isolatori elastomerici. Sono costituiti da strati alternati di gomma e acciaio, con funzione di confinamento dell’elastomero, solidarizzati mediante un processo di vulcanizzazione. In pianta il dispositivo è dotato da due assi di simmetria ortogonali e presenta un comportamento indipendente dalla direzione della forza orizzontale agente. Il legame costitutivo forza-spostamento ha andamento non lineare. In alternativa ai comuni isolatori, High Damping Rubber Bearing (HDRB), si possono utilizzare isolatori elastomerici con nucleo in piombo, Lead-Rubber Bearing (LRB), capaci di incrementare la capacità dissipativa, con lo scopo di limitarne gli spostamenti in condizioni di esercizio.

• Isolatori a scorrimento a superfici piane (SD). Sono costituiti da superfici di scorrimento in acciaio e PTFE i cui bassi valori di attrito, legati anche alla lubrificazione, assicurano una limitata opposizione alle azioni orizzontali. 

• Isolatori a scorrimento con singola o con doppia superficie curva (CSS), che grazie alla loro geometria hanno capacità di ricentraggio, mentre la dissipazione è affidata all’attrito tra le superfici di scorrimento. 

   

   

I dispositivi ausiliari

Gli isolatori sismici, in funzione delle proprie caratteristiche di rigidezza e deformabilità, possono essere combinati con altri dispositivi, a condizione che ne venga sempre assicurata la piena e totale funzionalità sia in condizioni sismiche che di esercizio. L’utilizzo dei cosiddetti dispositivi “ausiliari” può avere come obiettivo l’incremento delle capacità dissipative ma anche il ricentraggio della sovrastruttura nel caso di isolamento mediante soli SD. Allo stesso tempo è importante porre attenzione su alcune tipologie di dispositivi che non risultano facilmente combinabili: mentre HDRB e SD possono essere utilizzati insieme, i CSS non si prestano ad essere combinati con gli altri a causa dell’innalzamento che provocano sulla sovrastruttura durante le oscillazioni. 

Sia i dispositivi di vincolo, sia i dispositivi antisismici, devono essere progettati in modo da rispettare specifiche limitazioni sia in termini di forze che di deformazioni, al fine di non comprometterne l’efficienza.

Ad esempio, i carichi di trazione sono consentiti entro determinati limiti per alcune tipologie di dispositivi (HDRB) e non sono ammesse per altre (SD e CSS). Invece la portata e le azioni orizzontali massime sono prescritte in base alle caratteristiche del dispositivo. In termini di deformazione, va verificato che spostamenti e rotazioni siano contenuti entro i limiti prestabiliti anche al fine di evitare il contatto tra elementi strutturali. Ad esempio, per effetto di un’eccessiva rotazione, l’intradosso dell’impalcato potrebbe toccare l’estradosso della pila o della spalla sottostante.

   

Durabilità, degrado e malfunzionamenti 

Se le azioni di progetto sono state correttamente stimate e i dispositivi correttamente progettati, la durabilità dei dispositivi è direttamente connessa alle problematiche di degrado dei materiali costituenti, e quindi a: 

• corrosione dell’acciaio; 
• deterioramento per usura della gomma; 
• aumento del coefficiente di attrito nelle superfici di scorrimento. 

Tali effetti si traducono in una perdita di funzionalità del dispositivo che, sotto le azioni di esercizio e le azioni eccezionali, può essere soggetto a malfunzionamenti dovuti a: 

• eccessive deformazioni verticali e cedimenti differenziali della sovrastruttura; 
• deformazioni orizzontali non coerenti con quelle attese; 
• impossibilità di movimento e nascita di sollecitazioni iperstatiche non previste in progetto; 
• impossibilità di recupero della posizione originaria a seguito delle deformazioni; 
• rotture del dispositivo.

   

  

L’O.P.C.M. 3274/2003 (sia nella sezione relativa agli edifici, sia nella sezione relativa ai ponti) prescriveva che il progetto di tutte le tipologie di dispositivi di isolamento (elastomerici, a scorrimento, etc.) doveva comprendere tra i vari documenti, anche “il programma dei controlli periodici e degli interventi di manutenzione durante la vita di progetto della struttura, la cui durata deve essere specificata nei documenti di progetto e che, comunque, non deve risultare minore di 60 anni.”

Le successive Norme hanno fissato per i dispositivi antisismici, la vita di servizio, che:

- deve essere “maggiore di 10 anni nel campo di temperatura di riferimento” (NTC 2018, § 11.9);

- è “basata sulle dichiarazioni del fabbricante come parte della procedura di validazione” e “può essere minore della vita di progetto della struttura in conformità alla EN 1990”. (EN 15129, Appendice B);

- “Per gli isolatori elastomerici si può ritenere che sia di 60 anni”. (EN 15129, § 8.2.1.2.9). 

Tuttavia, essi devono essere dimensionati sulla base degli effetti indotti dalla struttura nel corso dell’intera vita di progetto. Infatti, a seguito dei processi di produzione in stabilimento, essi sono soggetti a procedure di qualificazione che “hanno lo scopo di dimostrare che il dispositivo è in grado di mantenere la propria funzionalità nelle condizioni d’uso previste durante tutta la vita di progetto.” (NTC 2018, § 11.9.2). “Devono inoltre essere previsti piani di manutenzione e di sostituzione allo scadere della vita di servizio” (NTC 2018, § 11.9). 

Va osservato che, a conferma di quanto detto riguardo la progettazione sismica, gli eventi verificatisi hanno spesso evidenziato crisi strutturali per perdita dell’appoggio dovuta a spostamenti maggiori di quelli previsti, indipendentemente dalle condizioni di degrado dei dispositivi. La sottostima degli spostamenti, in particolare per azioni sismiche, si traduce anche in un possibile martellamento tra elementi strutturali contigui.

Per ovviare a questo possibile inconveniente, oggi gran parte dei ponti e dei viadotti è realizzata con impalcati continui o con catena cinematica longitudinale, ponendo particolare attenzione al dimensionamento dei giunti di estremità. Tale scelta elimina le discontinuità strutturali, garantendo anche la protezione dei dispositivi di vincolo da fattori di degrado quali acqua, sali disgelanti, etc., e assicurando la continuità strutturale della sovrastruttura per azioni orizzontali. 

   

Protezione, ispezione e manutenzione dei dispositivi di vincolo dei ponti

I dispositivi di vincolo seguono tutte le fasi della costruzione:

• produzione del dispositivo in stabilimento, durante la quale vanno assicurate la qualità dei materiali e l’efficienza del dispositivo, anche mediante accurati test di laboratorio;

• trasporto e conservazione in cantiere;

• montaggio e messa in opera, con particolare attenzione alle superfici di appoggio che ospiteranno il dispositivo.

   

I controlli periodici e quelli più approfonditi

Nella fase di esercizio della struttura, in accordo con la EN 1337, i dispositivi vanno periodicamente ispezionati eseguendo sia controlli visivi (Regular inspections), sia controlli di natura più approfondita (Principal inspection). Inoltre, è sempre raccomandato ispezionare i dispositivi a seguito di eventi straordinari, per assicurarsi che non ne sia stata compromessa la funzionalità.

Le Regular inspections o ispezioni periodiche, prevedono il controllo dei seguenti aspetti:

- verifica della capacità di spostamento residuo;

- eventuali difetti visibili (fessure, errata posizione, deformazioni e movimenti imprevisti);

- condizioni di fissaggio alle strutture;

- stato di protezione da corrosione, polvere, etc.;

- condizioni delle superfici di scorrimento e di rotolamento;

- eventuali danni nelle parti strutturali a contatto.

Le Principal inspections o ispezioni principali, devono includere tutti gli aspetti contemplati dalle ispezioni periodiche, ma al contempo devono essere più dettagliate e precise.

In caso di esito non positivo dell’ispezione, devono essere eseguite ulteriori prove, per esempio di misura della capacità di movimento, o le riparazioni necessarie (correzione della posizione, sostituzione dell’appoggio, rinnovo o supplemento di protezione anticorrosiva) (EN 1377 2001, ANAS 2016).

   

La sostituzione dei dispositivi

La sostituzione di uno o più dispositivi, quando necessaria, deve essere eseguita, insieme a tutte le operazioni propedeutiche, senza arrecare danni agli elementi strutturali interessati (ANAS, 2016). Le modalità di sostituzione dipendono dallo schema statico e dalla tipologia dell’impalcato. Per il primo aspetto, si distinguono impalcati a:

- travi con campate semplicemente appoggiate;

- travi con campate solidarizzate mediante catena cinematica longitudinale;

- trave continua.

Per il secondo, impalcati a:

- sezione aperta, ossia con travi a pettine;

- sezione chiusa, ossia a cassone monocellulare o pluricellulare;

- più cassoncini;

- solettone pieno o alleggerito.

I dispositivi vengono sostituiti previo sollevamento dell’impalcato, che può interessare:

- un’intera campata, qualora si tratti di campate indipendenti;

- la porzione di impalcato posta in corrispondenza dell’appoggio da sostituire (testata).

Le diverse modalità di sollevamento implicano differenti effetti per la struttura. Nel caso di impalcati continui, ad esempio, il sollevamento in prossimità dell’appoggio genera un momento negativo che si somma a quello preesistente e i cui effetti devono essere limitati e tali da non comportare danni alla struttura.

Il sollevamento viene eseguito con martinetti idraulici, caratterizzati da un ingombro relativamente contenuto e da una elevata portata di carico. In condizioni particolari, come ad esempio per il sollevamento di intere campate di peso limitato (larghezza e luce piccole), possono essere utilizzate gru e autogrù. Il sollevamento dei vari martinetti deve essere contemporaneo al fine di limitare gli spostamenti differenziali sulle sovrastrutture. In genere, è sufficiente assicurarsi che “le linee di spinta dei martinetti presentino spostamenti differenziali non superiori a 10 mm” (ANAS, 2016). Inoltre, va valutato lo stato tensionale indotto dall’innalzamento dell’impalcato e la struttura deve essere protetta dal crollo in caso di rottura dei martinetti.

Il sollevamento può avvenire disponendo i martinetti in corrispondenza di elementi strutturali esistenti (travi e traversi dell’impalcato, pulvini per le pile), oppure realizzando appositi elementi di contrasto. Nelle opere di nuova realizzazione, già in fase progettuale è bene prevedere elementi strutturali predisposti al sollevamento dell’impalcato ed alla sostituzione degli appoggi. Il progetto di sollevamento è “da effettuarsi previo raggiungimento di un opportuno livello di conoscenza dell’opera, quindi previa acquisizione di un congruo fattore di confidenza da applicare ai materiali in opera”. Occorre quindi conoscere:

- geometria dell’impalcato;

- disposizione delle armature;

- caratteristiche meccaniche dei materiali in opera;

- eventuali carichi presenti in fase sollevamento.

In merito a quest’ultimo punto, a discrezione del Progettista ed in accordo con la Committenza, le operazioni possono essere condotte sia predisponendo la totale chiusura al traffico dell’opera, sia consentendo la viabilità durante le fasi di sollevamento.

Riassumendo, il progetto di sostituzione degli appoggi deve tener conto sei seguenti aspetti:

- conoscenza delle caratteristiche strutturali e della tipologia di impalcato;

- definizione dello schema di sollevamento;

- modalità di sollevamento (su singola testata, su intera campata, su più testate, etc.);

- individuazione degli elementi strutturali interessati;

- stima dei carichi presenti in fase di sollevamento (pesi propri, sovraccarichi permanenti, carichi mobili se presenti durante la fase transitoria di sollevamento).

mentre la sequenza delle fasi operative può essere così schematizzata:

- rimozione del vincolo esistente tra il dispositivo e la sovrastruttura;

- posizionamento dei martinetti;

- sollevamento dell’impalcato

- rimozione del vincolo esistente tra il dispositivo e la sottostruttura;

- rimozione del dispositivo esistente;

- posizionamento del nuovo dispositivo;

- abbassamento dell’impalcato e ripristino dei vincoli tra il dispositivo e la struttura.

Il controllo durante tutte le fasi, progettuali e operative, deve essere effettuato sia in termini di resistenza (controllo delle tensioni, delle sollecitazioni e delle deformazioni sui singoli elementi strutturali interessati) sia in termini di stabilità globale delle porzioni di impalcato interessate (controllo di uniformità degli spostamenti verticali durante il sollevamento dell’intera campata).

L'articolo continua con la trattazione di un caso studio: il VIADOTTO “SVINCOLO DI BUSSI” sull’A25.

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