L’isolamento sismico di ponti e viadotti: come orientarsi nella scelta

La protezione sismica di ponti mediante isolamento alla base è una soluzione efficace e consolidata. Già usata dagli anni 80 in USA, Giappone e Nuova Zelanda, ha trovato un’applicazione diffusa in Italia a seguito dell’ordinanza 3274 del 2003 ed oggi rientra tra le soluzioni previste dalle Norme Tecniche per le Costruzioni.

L’isolamento sismico di ponti e viadotti si basa su considerazioni analoghe a quelle che riguardano gli edifici: un piano deformabile di separazione tra fondazione e sovrastruttura permette di controllare il periodo di vibrazione di quest’ultima e ridurre significativamente le sollecitazioni indotte dal sisma a patto di selezionare un periodo sufficientemente lungo e fornire una rigidezza adeguata alla sovrastruttura. Le analogie si fermano ai criteri generali per diversi motivi, legati sia alla diversa conformazione dei due sistemi strutturali, sia ai diversi obiettivi che ci si pone. In entrambi i casi, l’obiettivo generale è quello di ridurre o annullare il danneggiamento della struttura e degli elementi non strutturali mediante una drastica riduzioni delle sollecitazioni e delle accelerazioni assolute, accettando grandi spostamenti complessivi della sovrastruttura. Nel caso dei ponti, la possibilità di conservare la funzionalità diventa spesso un requisito indispensabile per assicurare i soccorsi e lo svolgimento delle azioni tipiche dell’emergenza dopo un evento sismico.

Progettazione del sistema di isolamento

Per quanto riguarda la progettazione, la soluzione costruttiva più semplice e diffusa, almeno nei ponti a travata, prevede l’isolamento sismico del solo impalcato (vedi Figura 1). Si tratta quindi di un isolamento comunque parziale, capace di ridurre le azioni solo sulla quota di struttura che comprende il piano viario. 

Figura 1 – Impalcato metallico isolato con dispositivi elastomerici

È utile sottolineare che l’efficacia dell’isolamento si riduce se la parte posta al di sopra della superficie di isolamento, o la parte al di sotto, risultano deformabili. Nel caso in esame, la parte al di sotto è costituita in generale dalle spalle, adeguatamente rigide, e da un sistema di pile, spesso di altezza differente, che possono risultare deformabili. Quando le pile sono basse e tozze, come spesso avviene nelle intersezioni stradali, il sistema di isolamento fornisce le massime prestazioni di protezione sismica.

Nel caso di pile snelle, è invece opportuno valutare la convenienza della soluzione, convenienza che si perde completamente nel caso di pile particolarmente alte, dove il periodo naturale del ponte risulta già sufficientemente lungo da mitigare drasticamente le azioni sismiche. Tra l’altro, nel caso di pile in calcestruzzo armato di rilevante altezza, gran parte della massa soggetta al sisma si trova nelle pile stesse e il beneficio in termini di taglio alla base risulterebbe comunque limitato. Seppure la soluzione sia diffusa prevalentemente nei ponti a travata, può risultare utile ed efficace anche in sistemi più complessi, come ad esempio nei ponti a telaio o ad arco, purché la sovrastruttura sia organizzata in modo da costituire un sistema rigido (vedi Figura 2).

Figura 2. Ponte ad arco con isolamento sismico sul fiume Potenza

È ovvio che le considerazioni precedenti soffrono di una sintesi che non può dar conto delle specificità di ogni ponte. Seppure i criteri generali restino validi, i ponti reali presentano tracciati non rettilinei, sottostrutture oblique rispetto all’asse stradale, pile diverse, e sistemi di vincolo e di appoggio complessi dove isolatori e appoggi tradizionali spesso convivono per definire una soluzione ottimale. In ogni caso, almeno una questione è opportuno sottolinearla. Diversamente da un edificio, l’impalcato isolato presenta nella maggior parte dei casi una differenza di dimensioni significativa tra sezione trasversale e longitudinale. 

Oggi, la soluzione a trave continua con sezione composta acciaio-calcestruzzo è molto diffusa e solitamente adottata nei ponti a più campate. In questo caso la porzione di struttura al di sopra del sistema di isolamento presenta caratteristiche di rigidezza fortemente differenti tra direzione longitudinale e direzione trasversale. Nella prima direzione il sistema è praticamente indeformabile e tutti i punti si spostano della stessa quantità, le azioni sulle pile saranno distribuite in coerenza con la rigidezza orizzontale degli appoggi inferiori (sistemi fondazione-pila-isolatori). Il comportamento trasversale è invece più complesso e lo schema di riferimento in questa direzione è quello di una trave continua su appoggi (pile+spalle) con diverse caratteristiche di rigidezza. Il comportamento della sovrastruttura si può discostare significativamente dall’ideale moto rigido e la risposta, oltre a risultare più complessa, può essere meno soddisfacente.

Giunti e sistemi di vincolo

I giunti meritano un’attenzione speciale nel caso dei ponti, dato che la loro funzionalità post-sisma è in definitiva affidata alla loro capacità di rimanere efficaci dopo l’evento. Gli spostamenti di progetto dei giunti di estremità di un impalcato isolato sono generalmente dell’ordine delle decine di centimetri. Condizione di progetto decisamente diversa da quella tradizionale, dove gli spostamenti di progetto sono in buona parte conseguenza della variazione termica e presentano valori decisamente più piccoli. Un dispositivo in grado di articolarsi sia in direzione trasversale che longitudinale, assicurando allo stesso tempo il sostegno ai carichi mobili di progetto, risulta solitamente piuttosto costoso e l’onere può arrivare ad essere confrontabile con quello dei dispositivi di isolamento. Si tratta di un punto di attenzione del progetto ed è utile pensare a strategie che possono ridurne l’impatto, soprattutto nei ponti lunghi, dove la combinazione con la condizione termica può risultare impegnativa. 

Una soluzione spesso adottata consiste nell’introdurre, oltre ai dispositivi di isolamento, anche dei dispositivi di dissipazione tra sovrastruttura e sottostruttura. I dissipatori sono generalmente monodirezionali e si può calibrare un diverso effetto in direzione longitudinale e trasversale. La soluzione è piuttosto efficace nella riduzione degli spostamenti e nella riduzione dei costi dei giunti di estremità, meno efficace nella riduzione del taglio trasferito a pile e spalle. Diversi sistemi dissipativi sono stati adottati in passato per trovare soluzioni ottimali e le caratteristiche di queste soluzioni vanno ovviamente calibrate in funzione delle specificità del ponte. È comunque utile non dimenticare che sistemi dissipativi isteretici richiedono la sostituzione una volta che hanno superato la soglia elastica, determinando una temporanea perdita di funzionalità, problema che non si incontra nel caso di dissipatori viscosi.

Un’altra strategia, particolarmente interessante per i ponti lunghi, riguarda quello che viene chiamato isolamento parziale, dove l’impalcato viene vincolato rigidamente in direzione trasversale alle estremità (vedi Figura 3). In questo caso il giunto di estremità deve assicurare lo spostamento in una sola direzione, quella longitudinale, e i relativi meccanismi si semplificano drasticamente. Il periodo di vibrazione trasversale è questa volta controllato dalla deformabilità trasversale dell’impalcato. La soluzione può essere combinata con dispositivi viscosi longitudinali per mitigare anche gli spostamenti in questa direzione.

Figura 3. Schema isolamento parziale

Dispositivi di isolamento

I dispositivi di riferimento sono gli stessi degli edifici e i criteri di progettazione sono simili. Sono diffusi dispostivi elastomerici che garantiscono un ricentramento al termine dell’evento e possono avere capacità dissipative limitate, ottenute usando gomme ad alto smorzamento o nuclei in piombo. Questi dispositivi possono essere accoppiati con altri appoggi convenzionali, quali quelli a scorrimento bidirezionale quando si voglia evitare il trasferimento delle forze ad alcune pile, o quelli a scorrimento monodirezionale, ad esempio nel caso dell’isolamento parziale introdotto prima.

Anche i dispositivi a scorrimento a superficie curva (isolatori a pendolo) trovano ampia diffusione, la progettazione è piuttosto semplice perché il periodo è controllato dal raggio di curvatura del dispositivo e anche in questo caso si può contare su un contributo dissipativo fornito dall’attrito tra le superfici. Il dispositivo è solo parzialmente ricentrante e alcune attenzioni vanno poste nella progettazione degli spostamenti massimi perché nella verifica con il vento non può essere messo in conto il contributo di reazione dovuto all’attrito. Durante il movimento sulla superficie curva il punto di appoggio si sposta anche in verticale e questo rende più difficile l’accoppiamento con altri dispositivi di appoggio.

Come noto, i dispositivi di isolamento non sopportano, o sopportano poco, le azioni di trazione e devono risultare compressi durante tutte le condizioni di carico. In questo senso poco cambia rispetto agli appoggi tradizionali. Nei ponti a volte si incontrano situazioni dove è richiesta anche una capacità di sostenere azioni di trazione (es. luci fortemente variabili o carichi mobili molto eccentrici rispetto agli appoggi). Nelle soluzioni tradizionali sono diffusi gli appoggi a “doppio effetto”, più costosi ma non particolarmente complicati concettualmente. Quando il problema si presenta su un ponte isolato e si chiede al “doppio effetto” di funzionare per grandi spostamenti in entrambe le direzioni le cose si complicano e la soluzione solitamente esula da quelle standard.

Vale in generale il criterio che impalcati con poche travi risultano per certi versi più convenienti rispetto ad impalcati con molte travi. Nel primo caso bastano pochi isolatori grandi e nel secondo servono molti isolatori piccoli; la prima soluzione è più conveniente, soprattutto nel caso di isolatori elastomerici, dove una geometria tozza del dispositivo migliora la prestazione nei confronti dell’instabilità.

...continua la lettura nel PDF