Valutazione e mitigazione della vulnerabilità sismica di ponti ad arco in muratura: un caso studio

Archi, ponti e sisma

Le strutture ad arco sono di antica concezione, di cui le prime tracce risalgono al VII-VI secolo a.C.. Furono i romani però che ne fecero un grande uso, soprattutto per la costruzione di opere imponenti come acquedotti ed arene. Il progredire delle tecniche costruttive e della conoscenza dei materiali ha permesso un notevole sviluppo ed utilizzo di strutture ad arco per la costruzione di ponti a partire dalla fine dell’Ottocento. Tuttavia la progettazione di ponti ad arco, specie in muratura, ha seguito per molto tempo criteri puramente geometrici e, solo in epoche recenti con la scoperta di nuove teorie nel campo dell’ingegneria dei materiali, a progettazioni più performanti, anche se per i soli carichi verticali. Per questo motivo, vi è la necessità di approfondire la conoscenza di questa tipologia di strutture, analizzandone il comportamento sotto gli effetti delle azioni sismiche.

Il caso studio illustrato nel presente articolo riguarda il rinforzo strutturale di un ponte ferroviario ad arco in muratura mediante l’applicazione di malta fibrorinforzata. Attraverso una serie di analisi statiche non lineari (o pushover) si confronta la risposta sismica della struttura in relazione a diverse configurazioni di applicazione del materiale di rinforzo.

Descrizione dell’opera

L’opera è composta da 6 arcate in muratura, ciascuna delle quali presenta una luce netta circa pari a 12.00 m, per una lunghezza totale pari a circa 92 m. La freccia netta delle arcate è di circa 2.10 m, che rapportata alla luce delle stesse determina un rapporto freccia su lunghezza pari a 0.17, definendole come a “sesto ribassato”. Da indagini eseguite sull’opera in una fase pregressa, si registra uno spessore delle arcate variabile da 0.90 m in chiave a 1.00 alle reni. Il ponte ha una larghezza complessiva pari a circa 10.7 m.

Le pile sono costituite da un rivestimento esterno in calcestruzzo di circa 10 cm di spessore e da un nucleo interno in muratura di mattoni pieni. Hanno un’altezza fuori terra pari a circa 3.50 m, una larghezza di 2.70 m e una profondità di circa 10.7 m. Il piano di posa delle fondazioni delle 2 pile laterali si trova rispetto al piano del ferro a quota di -8.30 m mentre quello delle 3 pile centrali ad una quota di -7.80 m.

Le due arcate laterali impostano su due spalle costituite da un rivestimento in calcestruzzo di spessore pari a circa 10 cm, un primo paramento in mattoni di muratura piena e da un nucleo interno in muratura di pietra. Gli spessori di questi ultimi due paramenti variano per le due spalle e sono pari rispettivamente a 0.55 m e 5.45 m per una e pari a 0.30 m e 2.45 m per l’altra. Le spalle presentano un’altezza pari a circa 4.00 m. Il piano di posa delle spalle si trova rispetto al piano del ferro a quota di -7.30 m.

Il timpano, realizzato in muratura di mattoni pieni, presenta uno spessore di 0.90 m.

Da una ricerca storica, sono stati reperiti gli elaborati grafici relativi ai lavori di consolidamento delle fondazioni, di cui se ne riporta un estratto dalle tavole grafiche reperite in Figura 3. In particolare, sono state individuate le seguenti realizzazioni:

• Micropali connessi alle strutture verticali (pile e spalle) mediante cordoli in c.a.;
• Diaframmi in c.a. di spessore pari a 60 cm e profondità di 1.00 m e collegati trasversalmente tra loro mediante travi in c.a.;
• Materasso a protezione del fondo alveo, costituito da una massicciata e un getto di calcestruzzo magro.

Descrizione dell’intervento

L’intervento di mitigazione della vulnerabilità sismica del ponte consiste nell’applicazione di malta fibrorinforzata alle arcate e nella parte sommitale delle pile e delle spalle (Figura 4). In particolare, si considera in questo caso una malta contenente microfibre di acciaio, che conferiscono al materiale alte caratteristiche di resistenza. Altrettanto importante risulta la sua applicazione alla struttura oggetto di intervento, effettuata per colaggio, assicurandosi che il getto sia continuo ed effettuato solo dopo una corretta preparazione della superficie di applicazione, da trattare asportando qualsiasi elemento che potrebbe compromettere l’aderenza della malta alla struttura. Per aumentare l’aderenza fra la malta di rinforzo e la muratura esistente, si considera una rete in acciaio inox annegata nel getto e connettori del medesimo materiale distribuiti uniformemente sulla superficie trattata.
Nel caso studio presentato, si considera l’applicazione di una controfodera in malta cementizia fibrorinforzata dello spessore di 6 cm e l’inserimento di una rete in acciaio inox Ø6/10x10 cm e connettori Ø12/100x100 cm. Al fine di voler minimizzare l’utilizzo del materiale di rinforzo, pur non trascurando il raggiungimento di un livello di sicurezza tale per cui si possa considerare la struttura verificata per le azioni dovute al sisma, si sono studiate diverse configurazioni di applicazioni del materiale di rinforzo, che vengono descritte ed illustrate di seguito (Figura 5).

• Caso 1: applicazione del rinforzo alla sommità di pile e delle spalle attraverso una fascia di altezza di 1.0 m circa in modo da creare una cerchiatura, e all’intradosso delle arcate, attraverso due strisce alle reni di dimensione di 1.0 m, e due strisce che ricoprono l’arco in prospetto e risvoltano verso l’interno di 1.0 m.
• Caso 2: applicazione del rinforzo secondo la configurazione del caso precedente, con l’unica differenza che la fascia posta all’intradosso delle arcate ha dimensioni pari a 2.0 m.
• Caso 3: applicazione del rinforzo secondo la configurazione del “Caso 1”, con l’aggiunta di una fascia centrale in direzione trasversale, anch’essa di larghezza pari a 1.0 m, che collega le fasce delle arcate poste su entrambi i lati.

Specifiche di calcolo: modello FEM, caratteristiche dei materiali e azioni agenti

Il comportamento della struttura sotto le azioni sismiche è stato indagato mediante l’adozione di modelli di calcolo agli elementi finiti, realizzati mediante l’utilizzo di un software commerciale. Nei modelli, uno per la situazione allo stato di fatto (Figura 6) ed uno per quella allo stato di progetto (Figura 7), sono stati discretizzati tutti gli elementi strutturali del ponte che partecipano alla resistenza sismica, quali arcate, spalle, pile ed il rinforzo (solo nella situazione post-operam).

I materiali che costituiscono la sovrastruttura, come il riempimento ed il ballast, non sono considerati come elementi che contribuiscono alla resistenza della struttura ma solo come masse agenti, in quanto la conoscenza delle loro reali proprietà meccaniche è molto incerta.

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Nel resto dell'articolo si continuerà a parlare delle specifiche di calcolo e successivamente si passerà ad alcune riflessioni sui risultati ottenuti.

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