Strumenti e sistemi di supporto decisionale per il monitoraggio di ponti soggetti a scalzamento

Il problema dello scalzamento delle pile o delle spalle dei ponti 

Lo scalzamento delle fondazioni delle pile o delle spalle costituisce una delle principali cause di danneggiamento e collasso di ponti in tutto il mondo (Proske 2018, Lamb et al. 2019). Per questo motivo, l’identificazione dei ponti maggiormente esposti al rischio di scalzamento é un problema che interessa tutti i gestori dei trasporti.
La valutazione del rischio di scalzamento di un ponte deve combinare informazioni sul pericolo di erosione del terreno di fondazione, sulla vulnerabilità del ponte, e sulle conseguenze del suo eventuale danneggiamento, permettendo cosi al gestore di prendere una decisione ottimale per la gestione dell’infrastruttura. L’analisi deve basarsi su un approccio probabilistico data la presenza di molte incertezze nelle informazioni riguardanti la frequenza e l’intensità degli eventi alluvionali, lo stato (inteso come condizione) del ponte, e la sua capacità di resistere all’azione erosiva dell’acqua (Tubaldi et al., 2017). 

Questo lavoro illustra alcuni recenti sviluppi delle ricerche svolte dagli autori nell’ambito della valutazione del rischio di scalzamento dei ponti, riguardanti

• a) la definizione dell’evoluzione temporale dello scalzamento durante la vita utile del ponte,
• b) la modellazione degli effetti dello scalzamento,
• c) il monitoraggio di ponti soggetti a scalzamento.

Modelli per la previsione dell’evoluzione dello scalzamento

Lo scalzamento alla base delle fondazioni delle pile dei ponti é il risultato di diversi contributi che concorrono a determinarne il valore finale: lo scalzamento per abbassamento generalizzato dell’alveo, lo scalzamento per contrazione di sezione, e lo scalzamento localizzato dovuto a fenomeni turbolenti e che sono influenzati dall’interazione tra flusso d’acqua e pila (Kirby et al., 2015).

É importante inoltre distinguere tra lo scalzamento di tipo “live-bed”, con trasporto solido da monte, e di tipo “clear-water”,  ovvero senza trasporto solido. Generalmente, si ha scalzamento clear-water se la velocità media a monte dell’attraversamento è inferiore alla velocità critica di inizio del movimento dei sedimenti in alveo. 

Negli ultimi anni sono state sviluppate numerose formule di derivazione empirica per la stima della profonditá di scalzamento localizzato alla base delle fondazioni in condizioni clear-water (si rimanda a Sheppard and Melville (2011) per una lista delle piú diffuse). Tali formule tengono conto della geometria della pila, della capacità erosiva della corrente, e della resistenza all’erosione del materiale d’alveo. Molte di esse sono basate su prove di laboratorio, e permettono di stimare solamente lo scavo di equilibro che si raggiunge dopo molto tempo in condizioni di piena stazionaria. Recentemente, Pizarro et al. (2017a, 2017b) hanno introdotto il parametro adimensionale del lavoro effettivo (W*) ed il modello BRISENT per la stima temporale dello scavo localizzato contro condizioni idrauliche di tipo non stazionarie, ripresentativi di onde di piena. La derivazione di W* è basata sul concetto di “potenza del flusso” (“stream power”) e consente una rappresentazione di condizioni idrauliche complesse. La Figura 1 mostra l’applicazione del modello BRISENT ad un caso studio di laboratorio, in cui é stato misurato lo scalzamento in un modello di pila soggetto ad una onda di piena. Si osserva che il modello BRISENT ha una elevata capacità predittiva, con un errori medio pari a RMSE = 0.32 cm (i.e., 2.13% del diametro della pila). Più informazione su questo ed altri casi studio si possono trovare in Pizarro et al. (2017a, 2017b).

Figura 1. A) Simulazione in laboratorio dell’evoluzione nel tempo della portata fluviale in condizioni idrauliche complesse. B) Confronto tra scavo misurato e risultati modello BRISENT. (Immagine tratta da Pizarro et al. 2017a).

Prendendo in considerazione il semplice modo di calcolo di W*, ed anche la capacità predittiva del modello BRISENT in condizioni complesse di piena, Manfreda et al. (2018) hanno introdotto un metodo per derivare la distribuzione probabilistica della profonditá di scavo a partire dalla densità di probabilità delle piene, che é descritta mediante una curva di Gumbel. Questo metodo costituisce il primo tentativo di accoppiare modelli idraulici, idrologici ed erosivi in un modo chiuso e analitico, al fine di ottenere una espressione semplificata utili per stimare in modo speditivo il rischio di scalzamento dei ponti. Figura 2 mostra la funzione di probabilità delle piene e quella dello scavo localizzato ottenute applicando il metodo ad un caso studio numerico semplificato. Si osserva che la distribuzione di probabilità dello scavo non puó essere ottenuta mediante una semplice trasformazione di variabili a partire dalla distribuzione delle portate, dipendendo da molte altre variabili quale la forma dell’idrograma, la geometria della sezione idraulica, il tipo di sedimento e le caratteristiche del ponte.

Oltre alla derivazione analitica, la distribuzione di probabilitá della profonditá di scavo può essere calcolata numericamente considerando funzioni di probabilità di piena alternative a quella di Gumbel, fornendo versatilitá all’approccio descritto. In Tubaldi et al. (2017) é invece descritta una metodologia probabilistica per descrivere l’accumulo dello scavo in assenza di trasporto solido per effetto di piene multiple, basata su un approccio markoviano. Il maggiore merito di questi lavori é che hanno dimostrato che non esiste una relazione biunivoca tra portata della piena e profonditá di scalzamento, a causa di vari fattori che entrano in gioco quali la durata della piena e l’accumulo durante piene in successione. 

Figura 2. A) Probabilità di non superamento delle portate. B) Probabilità di non superamento di diverse profonditá di scavo. (Immagine tratta da Manfreda et al. 2018). 

Analisi di vulnerabilità di ponti soggetti a scalzamento

La valutazione degli effetti dello scalzamento alla base dei ponti richiede lo sviluppo di modelli numerici in grado di descrivere l’interazione tra terreno, fondazione e struttura. Negli ultimi anni le ricerche si sono concentrate maggiormente sui ponti ad arco in muratura, che presentano una elevata vulnerabilitá perché generalmente sono costruiti su fondazioni superficiali, e sono strutture rigide realizzate con materiali che hanno una scarsa resistenza a trazione e pertanto non sono in grado di sopportare cedimenti eccessivi.

Figura 3A mostra un modello agli elementi finiti di Copley Bridge, Yorkshire (UK), crollato a seguito di un’alluvione il 26 Dicembre 2015. Tale modello, sviluppato all’Imperial College London in Adaptic (Izzuddin 1991) é basato su una descrizione dettagliata della tessitura muraria, che é resa possibile grazie all’utilizzo di elementi di tipo “brick” per descrivere i mattoni, e interfacce di spessore nullo per descrivere i giunti di malta. Il riempimento del ponte e i timpani sono invece modellati al continuo, secondo modelli omogenei equivalenti. Ulteriori interfacce sono utilizzate per descrivere l’interazione tra riempimento ed arco, e per descrivere l’interazione suolo-struttura in corrispondenza della fondazione della pila adottando un approccio alla Winkler. La valutazione degli effetti dello scalzamento é effettuata mediante un’analisi temporale di tipo “time-history”, durante la quale le molle che descrivono il terreno di fondazione soggetto ad erosione sono progressivamente rimosse. Ció consente di cogliere in modo diretto gli effetti dello scalzamento, in termini di a) perdita di terreno di supporto e b) cedimenti di tipo roto-traslazionale alla base della pila. Tali effetti inducono delle fessure diagonali su arco e pila, localizzate in corrispondenza dei giunti di malta (Figura 3B). Un simile approccio numerico é stato recemente seguito in un’altra ricerca per descrivere il collasso del ponte sul Rubbianello a causa di fenomeni di scalzamento (Scozzese et al. 2019).

Il modello sviluppato consente di stimare il livello della profonditá di scalzamento che induce il collasso del ponte. I risultati di questa analisi possono essere combinati con quelli derivanti da modelli idraulici al fine di valutare gli effetti di piene di diversa intensitá (curve di vulnerabilitá) o per stimare le caratteristiche della piena che hanno portato al collasso di un ponte.

Figura 3. A) Modello agli elementi finite di un ponte con gli effetti dell’interazione suolo-strutura descritti con approccio alla Winkler, B) stato di fessurazione su pila ed arco indotto dallo scalzamento alla base della pila (Immagine tratta da Tubaldi et al. 2018).

L'articolo continua con la trattazione del Monitoraggio dello scalzamento > SCARICA IL PDF