Valutazione di strutture in acciaio soggette a corrosione: verifica della capacità portante di un ponte soggetto a diversi scenari di corrosione

L'influenza della corrosione nel collasso strutturale di un ponte è un tema ancora poco approfondito

La maggior parte delle strutture esistenti presenta segni di deterioramento, spesso già in atto, dovuti sia al naturale invecchiamento sia a fattori interni ed esterni che, nel tempo, ne hanno compromesso l'integrità. Le analisi descritte in questo studio sono fondamentali per il monitoraggio efficace di un patrimonio edilizio che continua a invecchiare.
L'influenza della corrosione nel collasso strutturale rappresenta un tema ancora poco approfondito nella pratica professionale dedicata alla valutazione della robustezza delle costruzioni.

Si auspica che un approccio più consapevole contribuisca a una pianificazione mirata degli interventi di manutenzione. Come dimostrano frequenti notizie di cronaca, la mancanza di adeguata manutenzione è spesso tra le principali cause di rischio per le strutture.

La storia delle costruzioni è ricca di esempi di crolli, in particolare di ponti (Wikipedia, 2022). Tuttavia, il degrado non porta necessariamente al collasso, a condizione che venga identificato tempestivamente e affrontato con interventi correttivi adeguati (Yamaguchi et al., 2010).

In questo contesto, lo studio è articolato in due parti principali che si concentrano su:

• L’analisi delle cause del degrado e la quantificazione della riduzione di spessore a causa dei fenomeni corrosivi;
• Gli effetti che il degrado ha sulle strutture attraverso una simulazione FEM su un ponte a travatura reticolare con diversi scenari di degrado e successivo calcolo del moltiplicatore di carico a collasso.

Valutazione di strutture in acciaio soggette a corrosione: analisi e trattazione della corrosione nelle sue forme e metodi previsionali
Il lavoro introduce gli scenari per analizzare il danno da corrosione su un ponte metallico di 70 metri, confrontando condizioni attuali (100 anni) e previsionali (125 anni) con un codice FEM. Si approfondiscono metodologie di calcolo e normative, aggiornate al 2022, con uno sguardo alla letteratura e alle ISO internazionali.
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Caso studio

Nel presente studio è stato esaminato il ponte Pastorella a Lauria, situato nella provincia di Potenza. Dato che l'accesso al ponte è limitato, ad eccezione della passerella dell’impalcato principale, è stato adottato un rilievo aerofotogrammetrico tramite drone per acquisire i dati geometrici della struttura. Successivamente, è stata effettuata una modellazione tridimensionale del ponte in ambiente FEM (Finite Element Modelling) per rappresentare accuratamente la struttura.

In base al livello di corrosione rilevato nella struttura, sono state formulate previsioni sull’evoluzione del danno da corrosione durante l’intero ciclo di vita del ponte, considerando la riduzione dello spessore degli elementi strutturali in accordo con le indicazioni della letteratura scientifica. Pertanto, oltre allo studio del ponte integro, sono stati esaminati quattro diversi scenari di corrosione:

1. corrosione degli elementi dell’impalcato superiore;
2. corrosione degli elementi delle briglie inferiori; 3)
3. corrosione delle diagonali principali; e 4)
4. corrosione dei montanti verticali.

Su questi modelli FEM sono state condotte analisi di tipo push-down e analisi dinamiche lineari, al fine di valutare la risposta strutturale del ponte in presenza di corrosione.

I risultati ottenuti hanno fornito una valutazione dello stato di salute del ponte, determinando la sua robustezza rispetto ai diversi scenari di corrosione.

Il ponte Pastorella (Coordinate: 40° 02'57.8" N, 15° 50'39.1" E) è stato costruito nel 1929 ed è composto da due travi reticolari in acciaio con una campata di 73 m. Dopo essere stato dismesso nel 1987, il ponte ha subito un grave degrado a causa della corrosione. Nel 1985 è stato sottoposto a vincoli di tutela architettonica e del patrimonio culturale imposti dalla Soprintendenza Archeologia, Belle Arti e Paesaggio della Basilicata. Nel 2017 è stato ristrutturato dal comune di Nemoli per essere trasformato in una greenway, ed è attualmente aperto al pubblico dal comune di Lauria.

Il lavoro svolto ha incluso indagini sul campo, seguite da una ricerca preliminare online. A causa della situazione sanitaria in Italia legata all'epidemia di Covid-19, non è stato possibile accedere alle fonti storiche negli archivi e negli uffici competenti. Tuttavia, le informazioni storiche ottenute hanno rivelato che il ponte Pastorella è parte di un più ampio percorso ferroviario che collegava Lagonegro a Spezzano Albanese, due estremi della rete ferroviaria nazionale delle Ferrovie Italiane.

Questa linea ferroviaria presentava uno scartamento ridotto (interasse di 950 mm), mentre le linee da Lagonegro verso nord e da Spezzano Albanese verso sud erano a scartamento ordinario (interasse di 1435 mm). La riduzione del carico ferroviario era dovuta alla necessità di attraversare un territorio particolarmente impervio dal punto di vista orografico.
Nonostante le soluzioni ingegneristiche adottate, la linea ha dovuto affrontare diverse difficoltà, tra cui lunghi tempi di percorrenza, problemi strutturali lungo il percorso e i danni causati dai bombardamenti della Seconda Guerra Mondiale.

A seguito di questi problemi, nel gennaio 1979 la linea è stata ufficialmente soppressa e, nel 1984, i binari sono stati rimossi, mentre le altre strutture sono rimaste nel loro stato originario.
Numerose proposte sono attualmente in fase di sviluppo per la riqualificazione della linea ferroviaria e del ponte. Tra queste, il progetto "Ciclovie", presentato dalla Regione Basilicata con la Delibera n. 128 del 24 febbraio 2017, prevede la rifunzionalizzazione dell'intera linea ferroviaria come percorso ciclo-pedonale. Questo progetto è stato selezionato come vincente e si trova attualmente in fase di esecuzione.

La documentazione tecnica disponibile a seguito del processo di ricerca ha prodotto pochi risultati concreti. Gli unici disegni tecnici reperiti erano costituiti da piante e viste laterali, che sono state preliminarmente verificate durante le ispezioni in loco. Sebbene fosse stata concessa l'autorizzazione per l'accesso all'area circostante, non era possibile entrare all'interno della struttura.

Le altezze riportate nei disegni ricevuti sono state quindi verificate tramite misurazioni manuali. Data la dimensione della struttura, le misurazioni dettagliate sono state effettuate solo su alcuni elementi specifici. Questa fase di rilevamento ha evidenziato numerose discrepanze rispetto ai dati ottenuti dai disegni preliminari.

Poiché l'obiettivo di questo studio era la modellazione e l'analisi strutturale del ponte, e considerando che ciò richiedeva un rilievo geometrico preciso della struttura, si è reso necessario un approfondimento dell'indagine. A causa delle difficoltà nell'effettuare misurazioni dirette—complice l'accesso limitato all'opera e le grandi distanze che rendevano difficile l'uso di un metro laser—il rilievo aerofotogrammetrico tramite UAV (Unmanned Aerial Vehicle) è stato identificato come l'unica soluzione praticabile per ottenere una rappresentazione geometrica precisa della struttura del ponte.

Grazie a questa tecnica di rilievo aerofotogrammetrico (Fig. 2a), è stato possibile acquisire numerose informazioni geometriche che sarebbero state altrimenti inaccessibili con metodi di rilevamento convenzionali. Infine, utilizzando le informazioni metriche derivate dalla fotogrammetria, unitamente al rilievo metrico diretto e indiretto effettuato in loco, è stato creato un nuovo disegno CAD (Fig. 2b) contenente tutte le informazioni necessarie per la successiva fase di modellazione e analisi strutturale.

Modellazione FEM

La modellazione FEM è stata realizzata utilizzando il software FaTa-Next, sviluppato dalla società Stacec s.r.l. La scelta di questo software è stata motivata, oltre che dalla sua capacità di eseguire analisi strutturali generali, anche dall'interesse per l'analisi degli effetti corrosivi trattati in questo studio.

Infatti, l'azienda si sta impegnando nell'approfondimento del progresso della corrosione e del conseguente decadimento della capacità strutturale delle costruzioni, con particolare attenzione alla corrosione dell'acciaio nel calcestruzzo armato, nell'ambito del progetto Degrado-Next.

Poiché non esistono procedure di analisi specificamente implementate per le strutture in acciaio, è stato necessario integrare il software con una serie di considerazioni, studi e calcoli manuali per valutare la perdita di spessore dovuta alla corrosione, che verranno presentati successivamente.

Per quanto riguarda il processo di modellazione, come per ogni modellatore strutturale parametrico, il software ha richiesto la definizione iniziale dei parametri meccanici dei materiali, le informazioni geometriche della struttura e la definizione dei vincoli interni ed esterni.

La conoscenza limitata della struttura, dovuta all'impossibilità di effettuare ulteriori test diagnostici e misurazioni, ha introdotto incertezze che inevitabilmente influiranno sui risultati dell'analisi. Queste incertezze sono state sottolineate nei lavori di Gino et al. (2021) e Castaldo et al. (2022), focalizzati principalmente su travi snelle ma applicabili anche ad analisi non lineari. Nel caso specifico del ponte, tutti i componenti sono stati modellati come elementi reticolari, e la struttura è stata vincolata in modo semplice agli estremi, al fine di semplificare il modello e rispondere alle limitazioni delle informazioni disponibili.

Definizione dei materiali

La mancanza di informazioni dettagliate sulla struttura ha reso difficile una definizione precisa delle caratteristiche meccaniche del ponte. Per ovviare a questa lacuna, è stata condotta una ricerca approfondita delle normative in vigore nei vari periodi storici, al fine di ottenere una panoramica delle proprietà delle leghe metalliche utilizzate e determinare il materiale più plausibile impiegato nella costruzione. In particolare, è stato preso in considerazione lo studio condotto da Di Lorenzo et al. (2021), che ha analizzato gli aspetti meccanici principali e le normative relative alle ghise, ai ferri battuti e agli acciai dal XIX secolo fino ad oggi.

Poiché il ponte Pastorella è stato costruito nel 1929, il livello di riferimento più appropriato per le caratteristiche dei materiali utilizzati è stato il Livello 1, che tiene conto del limitato grado di conoscenza e della scarsità di informazioni dettagliate disponibili per quel periodo.

Secondo lo studio citato, l'acciaio era la lega metallica più comune utilizzata per le strutture di quel tempo. In particolare, il decreto ministeriale più rilevante, datato 06/05/1916, intitolato “Norme tecniche relative alle opere metalliche riguardanti le ferrovie pubbliche”, ha fornito le linee guida sulle specifiche tecniche delle strutture metalliche dell'epoca.

Sulla base delle indicazioni fornite da questo standard, le caratteristiche meccaniche del materiale utilizzato per la costruzione del ponte sono state considerate comparabili a quelle dell'acciaio di grado S235, che è stato quindi adottato come riferimento per l'analisi strutturale del ponte.

Valutazione del progresso del danno da corrosione

Come accennato in precedenza, lo studio ha previsto l'analisi della riduzione di spessore degli elementi strutturali del ponte a causa dei fenomeni di corrosione. Per effettuare tali valutazioni, sono state utilizzate diverse metodologie previsionali derivate dalla letteratura scientifica e dalla normativa vigente, tenendo conto della mancanza di dati specifici sugli spessori iniziali degli elementi del ponte e sul loro degrado dopo circa 95 anni dalla sua costruzione.

In assenza di informazioni riguardo a eventuali interventi di manutenzione o applicazione di vernici protettive, tali aspetti non sono stati inclusi nell'analisi. Inoltre, poiché il ponte è un bene vincolato, non è stato possibile eseguire indagini invasive, come il prelievo di campioni, e le valutazioni sono state condotte esclusivamente tramite ispezioni visive e analisi dei tipi di corrosione visibili sulla struttura.

I modelli previsionali impiegati per stimare l'evoluzione della corrosione si basano sulle seguenti norme e studi di riferimento.

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