Stima indiretta della precompressione residua attraverso misura della freccia di travi da ponte

Ponti in c.a.p.: funzionalità e durabilità dell’opera possono essere influenzate significativamente dal livello di precompressione residua in esercizio

Gran parte dei ponti esistenti ubicati lungo la rete stradale nazionale è stata realizzata a partire dal secondo Dopoguerra quando la tecnologia realizzativa maggiormente adoperata prevedeva l’impiego del calcestruzzo armato e del calcestruzzo armato precompresso (Strade e Autostrade, 2021).
Da questa premessa risulta come dette opere si accingono a raggiungere o hanno già superato una vita utile di circa 50 anni e dunque potrebbero richiedere interventi di manutenzione straordinaria.
Nel caso dei ponti in c.a.p. esistenti sia la funzionalità che la durabilità dell’opera possono essere influenzate significativamente dal livello di precompressione residua in esercizio. Anche se tale variabile tipicamente non influenza la capacità portante dell’impalcato, l’estensione della vita utile di tali opere passa per la valutazione dell’efficacia della precompressione residua (Losanno et al. 2024a).

Per la valutazione dello stato tensionale agente lo stato dell’arte (CEB-FIP, 2023) riporta metodologie invasive, distruttive o semi-distruttive tra le quali risultano in fase di sperimentazione tecniche di rilascio tensionale attraverso taglio dei trefoli o del calcestruzzo (Kral’ovanec et al. 2021, 2022, Mateu-Sánchez et al., in press).

Questo studio si pone l’obiettivo di proporre una stima indiretta della precompressione residua tarata sulla deformata effettiva misurata a ponte scarico nella sezione di mezzeria. Partendo da formulazioni analitiche di letteratura per il calcolo della freccia, è possibile stimare il livello di precompressione agente calibrato sulla freccia misurata in situ attraverso opportuna definizione del coefficiente di viscosità e delle fasi costruttive dell’opera. Il metodo proposto viene illustrato con riferimento ad un ponte a travata esistente con cavi post-tesi sia seguendo un approccio semplificato con un unico coefficiente di viscosità che attraverso un approccio più accurato che tiene conto dei diversi istanti di applicazione dei carichi di lunga durata.

Presentazione del viadotto caso di studio: caratteristiche generali dell'opera

Il caso studio è un viadotto autostradale esistente realizzato a cavallo degli anni ’60 e ’70, con impalcato costituito da un graticcio di travi in c.a.p. a cavi scorrevoli, recentemente soggetto ad interventi di manutenzione straordinaria per il ripristino della capacità portante a causa di fenomeni di ammaloramento del calcestruzzo e delle armature in acciaio ordinario. Il ponte è costituito da due campate semplicemente appoggiate di 33.50 m l’una, due spalle e una pila intermedia.

Le due carreggiate affiancate sono indipendenti e separate da un giunto longitudinale a contatto. La larghezza complessiva della singola carreggiata è pari a 9.55 m costituita da quattro travi ad I (Figura 1) di altezza pari a 180 cm sormontate da una soletta dello spessore di 20 cm, anch’essa prefabbricata. L’altezza della sezione corrente è pari a 200 cm e presenta una rastremazione nelle zone di appoggio fino a 120 cm; lo spessore dell’anima delle travi è pari a 20 cm e larghezza del bulbo inferiore di 60 cm.

Le nervature, disposte ad interasse di 220 cm, sono collegate da due traversi di testata in c.a. e due traversi inter- medi precompressi dallo spessore di 25 cm. Le travi (Figura 2) hanno lunghezza complessiva di 32.50 m e luce di calcolo di 32 m (distanza in asse appoggio) precompresse con quattro cavi scorrevoli in acciaio armonico ad andamento parabolico, due dei quali costituiti da 42 fili Ø 7 mm (tipo B) ed altri due da 32 fili Ø 7 mm (tipo A).

Campagna di indagini, rilievo e monitoraggio

Per condurre la valutazione della sicurezza secondo la normativa vigente, l’opera in questione è stata oggetto di un’ampia campagna di indagini diagnostiche, delle quali verranno ivi riportati i soli risultati utili ai fini delle elaborazioni eseguite.

Per la determinazione delle proprietà meccaniche dei materiali (calcestruzzo, acciaio) sono state eseguite prove distruttive su carote di calcestruzzo unita- mente a prove di tipo SonReb su tutte le travi degli impalcati, mentre per la caratterizzazione dell’acciaio ordinario sono state eseguite prove durometriche.

I parametri meccanici del calcestruzzo sono stati valutati secondo le metodologie indicate dalle Linee Guida per la Classificazione e Gestione del Rischio, la Valutazione della Sicurezza ed il Monitoraggio dei Ponti Esistenti (Linee Guida Ponti Esistenti, 2020) e dalle Norme Tecniche per le Costruzioni (Decreto Ministeriale 17 Gennaio, 2018) restituendo un valore di resistenza cubica medio Rcm pari a 36.94 MPa.

Oltre ai rilievi in sito sono state eseguite prove di tipo distruttivo all’estradosso dell’impalcato risalendo alla stratigrafia del pacchetto stradale costituita da uno strato di calcestruzzo di spessore medio di 10 cm (non collaborante) oltre che da 20 cm di pavimentazione in conglomerato bituminoso.

Per la valutazione dello stato tensionale agente si è provveduto all’esecuzione di prove di rilascio tensionale sulle travi esterne dei quattro impalcati dell’opera tramite tagli di conci di calcestruzzo di forma tronco-piramidale.
Infine, per la misura delle frecce è stato eseguito rilievo topografico di dettaglio tramite laser scanner 3D che ha restituito un valore della monta a ponte scarico della trave esterna della prima campata pari a -33.50 mm.

Stima della precompressione attraverso misura della contromonta residua

Ipotesi alla base del metodo proposto

Partendo da formulazioni analitiche di letteratura per il calcolo della freccia, è possibile stimare il li- vello di precompressione residua calibrato sulla freccia misurata in situ attraverso opportuna definizione del coefficiente di viscosità e delle fasi costruttive. Il metodo è utile per fornire una valutazione globale del livello di precompressione in esercizio, non potendo tener conto di eventuali problemi di degrado o danno locale delle armature di precompressione (Losanno et al. 2024b).

Pertanto, alla base del metodo proposto è necessario ricostruire la storia di carico che ha interessato il ponte individuandone le fasi costruttive e gli eventuali successivi interventi eseguiti che possano aver modificato le caratteristiche geometriche e i carichi applicati. Da tali informazioni è possibile studiare l’evoluzione dello stato tensionale dell’opera che influisce sul valore dello sforzo normale in esercizio e le deformazioni residue degli elementi strutturali principali.
Come si vedrà nel seguito, gli effetti reologici incidono in maniera significativa sui risultati ottenuti pertanto si è proceduto seguendo due approcci con diverso livello di approssimazione:

• Approccio 1: non vengono considerati i tempi di messa in carico delle diverse fasi costruttive valutando di conseguenza un unico coefficiente di viscosità Φ(t,t0) con cui calcolare le cadute di tensione a tempo infinito e le deformazioni in condizioni di lungo termine;
• Approccio 2: si considerano i tempi di messa in carico effettivi, da cui consegue una valutazione del coefficiente di viscosità specifico Φ(t,t0) per le diverse fasi di costruzione.

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