Progettazione strutturale di un viadotto a sezione mista acciaio-c.a. con appoggi dissipativi

Alcune considerazioni sulla modellazione sismica del viadotto "Sanniti"

Oggetto del presente articolo sono alcune considerazioni riguardo al calcolo strutturale del viadotto “Sanniti”, condotto nell’ambito del progetto definitivo di adeguamento a n°4 corsie della S.S. 372 “Telesina”, nel tratto compreso tra il km 37+000 (svincolo di San Salvatore Telesino) e il km 60+900 (svincolo di Benevento); il viadotto in esame è previsto in carreggiata nord al km 57+944.

Figura 1 -  Profilo longitudinale

Si tratta di un viadotto a cinque campate, aventi luce di calcolo rispettivamente pari a 69.00-69.00-125.50-91.00-69.00m, con impalcato a sezione mista (acciao-c.a.) di larghezza costante pari a 11.25m.

La parte metallica (acciaio S355W autopatinabile) dell’impalcato è costituito da n. 2 travi “a doppia T” di altezza variabile 2.50-6.00m e da traversi reticolari, posti ad un interasse medio pari a 5.00m realizzati con profili a “L” accoppiati; sono  previste, inoltre, una longherina rompitratta (IPE400) in corrispondenza dell’asse longitudinale dell’impalcato e controventi orizzontali a livello dell’estradosso e dell’intradosso delle travi. 

L’impalcato è completato e da una soletta in c.a. composta di lastre predalles e calcestruzzo armato gettato in opera,  per uno  spessore pari a 0.25+0.06m, resa collaborante alle travi principali per mezzo di connettori a piolo tipo Nelsson.

Figura 2 - Sezione trasversale in corrispondenza delle pile P2 e P3

Spalle e pile (Hvar=8÷22m) sono previste in c.a. gettato in opera e fondate su pali di grande diametro (Φ1200mm) di lunghezza variabile L=32÷38m; i fusti in elevazione delle pile P1 e P4 presentano sezione circolare Φ3000mm, quelli delle pile P2 e P3, adiacenti alla campata di luce pari a 125.50m, sono previste con sezione elissoidale cava con assi principali di lunghezza l1= 6.00m e l2=3.00m; lo spessore del setto è s=1.00m.

Per l’appoggio dell’impalcato sulle pile si sono previsti apparecchi dotati di dispositivi dissipativi a comportamento elasto-plastico (EN15129), caratterizzati da isteresi in campo plastico dipendente dallo spostamento, al fine di ridurre la trasmissione delle azioni orizzontali dall’impalcato alle sottostrutture, visto l’elevato livello di sismicità della zona d’intervento.

Ci si è, infatti, confrontati con un’azione sismica di progetto con le seguenti caratteristiche (in riferimento ai parametri di definizione dello spettro di risposta elastico SLV):

VN = 50 anni        Cu  = 2 (classe d’uso IV)

Sito di riferimento: Benevento  ag/g=0.351;   Sve(TB) = 0.99g

Figura 3 – Spettri di risposta elastici

Si tratta di parametri di input piuttosto severi, tipici di un comune classificato in “zona 1 - alta sismicità”, in base all’OPCM n.3274/2003, accentuati dalla necessità di utilizzare il coefficiente d’uso massimo (cu=2), in virtù della strategicità dell’opera in riferimento al mantenimento delle vie di comunicazione in caso di calamità.

Il sistema di dissipazione dell'azione sismica

Si sottolinea il valore dell’accelerazione spettrale al “plateau” pressochè pari a quello dell’accelerazione di gravità: tale entità dell’azione sismica, accompagnata alla rilevanza delle luci in gioco (e dunque delle masse, in particolare nella campata centrale da 125.50m), ha naturalmente condotto alla necessità di prevedere un sistema di protezione delle sottostrutture mediante dissipazione dell’energia sismica. 

La tipologia dei dispositivi dissipativi

Si sono pertanto scelti dispositivi dissipativi di tipo ibrido, costituiti da un appoggio a disco elastomerico confinato (in accordo con la EN1337-5), integrato con un dispositivo isteretico isotropo (in accordo con la EN15129). 

I dispositivi previsti per la pila 2 sono di tipo fisso, dotati di elementi a fusibile tarati sulle sole azioni di esercizio. Gli altri dispositivi, collocati sulle pile 1,3,4, sono da intendersi unidirezionali, ossia dotati di sistemi shock transmitter, che consentono traslazioni orizzontali senza significative resistenze in condizioni di esercizio, per poi attivarsi come vincoli alla traslazione in tutte le direzioni in presenza di una forzante di tipo impulsivo.

Sulle spalle sono stati previsti appoggi multidirezionali di tipo tradizionale.

Nella figura 4 sono riportate le caratteristiche geometriche  degli apparecchi di appoggio unidirezionali e la legge bilineare che approssima la curva caratteristica forza-spostamento del sistema dissipativo: tale legge è definita attraverso una prima rigidezza elastica (k) e una seconda rigidezza post-elastica di incrudimento (k’=r k). 

Il sistema di vincolamento così previsto, oltre a ridurre i tagli di natura sismica trasmessi dall’impalcato alle sottostrutture, permette una loro equilibrata ripartizione sulle varie pile, tramite opportuna taratura delle soglie elastiche nei diversi appoggi. Questa taratura permette, pertanto, la ricerca di una traslazione “piana”, in fase sismica, dell’impalcato. 

La tipologia di dissipazione scelta, inoltre, essendo dipendente dal solo spostamento, permette di garantire un’efficace protezione alle sottostrutture, indipendentemente dall’intensità sismica e dal suo contenuto in termini di frequenze.

Figura 4 – Caratteristiche appoggio dissipativo

Calcolo della struttura mediante modellazione FEM

Con l’ausilio del software di calcolo Midas Civil 2017 v.1.1, si è realizzato il modello tridimensionale agli elementi finiti della struttura.

Figura 5 – Modello strutturale f.e.m.

Per la modellazione dell’impalcato si è considerato uno schema strutturale a graticcio, con travi principali a doppia T, traversi reticolari, longherina, controventi e schematizzati come elementi “beam”.

In particolare, per le travi principali, si sono utilizzati gli elementi a sezione composta acciaio-c.a. a sezione variabile (tapered beam), essendo previste variabilità lineari sulle altezze del piatto d’anima lungo lo sviluppo dell’elemento strutturale.

Figura 6 – Rendering del modello strutturale f.e.m.

Figura 7 – Rendering del modello strutturale f.e.m.

Anche le strisce trasversali (di larghezza unitaria) di soletta, previste nella modellazione a graticcio, sono state schematizzate mediante elementi “beam”.

Il calcolo è stato condotto per fasi, tenendo conto degli effetti dei fenomeni reologici sul calcestruzzo, connessi alla variabile tempo.

Gli elementi strutturali in c.a.delle spalle (platee, elevazioni, paraghiaia e muri andatori) sono stati modellati mediante elementi tipo “plate”, mentre pali di fondazione ed elementi in elevazione delle pile (fusti, pulvini e baggioli) mediante elementi “beam”. 

Gli appoggi delle travi sui baggioli,dotati dei dispositivi dissipativi descritti in precedenza, sono stati modellati mediante elementi link a comportamento elasto-plastico (“general link”), per simulare il comportamento degli apparecchi di appoggio dissipativi individuati. Sono stati pertanto inseriti, nella definizione del comportamento di tali vincoli interni, i parametri caratteristici (fig.8) della legge bilineare elasto-plastica, (keff, k, r=k’/k, Fy) mutuati dalla curva F-δ dei dispositivi di appoggio scelti.

Figura 8 – Finestra “general link”

I vincoli esterni del modello sono costituiti dalle molle alla Winkler che simulano la resistenza laterale, in funzione dei moduli elastici dei diversi strati del terreno, dei pali di fondazione. Registrando, a valle del calcolo, traslazioni verticali dei nodi al piede dei pali pressochè nulle, si è omesso di modellare la resistenza di punta dei pali stessi.

Si è inoltre considerata la presenza di carichi mobili sull’impalcato per mezzo della routine del software, ottenendo inviluppi di sollecitazioni sui vari elementi strutturali.

Le combinazioni delle azioni sulla struttura e le verifiche degli elementi strutturali sono state sviluppate secondo il metodo semiprobabilistico agli stati limite, in accordo con le NTC2008 e la Circolare 2 febbraio 2009, n.617.

Analisi dinamica non lineare della struttura con utilizzo di accelerogrammi spettrocompatibili

La scelta di prevedere appoggi dissipativi ha comportato la necessità di procedere con un’analisi dinamica non lineare (Time History con integrazione diretta) per la valutazione degli effetti dell’azione sismica sulla struttura, con utilizzo di accelerogrammi artificiali spettrocompatibili.

Si è pertanto proceduto alla definizione di n° 3 gruppi di accelerogrammi spettro-compatibili, in accordo con quanto prescritto ai paragrafi 3.2.3.6, 7.3.4.2 e 7.3.5 delle NTC08, partendo da due spettri di risposta elastici di riferimento, uno per le due componenti orizzontali e uno per quella verticale.

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Articolo tratto da Digital Modeling 22

Credits

• Progetto definitivo dell’adeguamento a 4 corsie delle S.S.372 “Telesina” - itinerario Caianello (A1) - Benevento - Lotto 1: dal km 37+000 (svincolo di San Salvatore Telesino) al km 60+900 (svincolo di Benevento)
• Committente: ANAS S.p.a. - Direzione Progettazione e Realizzazione Lavori
• Progettisti: Ing. A.Micheli, Ing. V. Marzi, Ing. A. Devitofranceschi
• Supporto alla progettazione: STIGEA S.r.l., Bologna  – Ing. Stefano Cassarini