Ponti esistenti in zona siamica - Gestione territori di ... · sicurezza sismica di ponti esistenti ... Quadro normativo vigente 1) Norme Tecniche per le Costruzioni, D.M. 14/01/2008

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Donato SabiaPolitecnico di TorinoDipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica

Ponti esistenti in zona siamica

PONTI ESISTENTI IN ZONA SISMICA

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Criteri generali per la valutazione della sicurezza sismica di ponti esistenti

Obiettivo della verifica sismica dei ponti esistenti è la determinazione del livello di rischio associato:1) alla perdita di operatività2) al danneggiamento severo della struttura3) al collasso

Razionalizzazione degli interventi:1) riparazione2) sostituzione3) monitoraggio

Scelta dei ponti che necessitano interventi con maggiore urgenza, poiché soggetti ad un rischio più elevato

Pianificazione economica degli interventi

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Verifica sismica dei ponti esistenti

Fase 1Indagine preliminare sul patrimoniodi strutture esistenti e valutazionedel grado di priorità, in funzione dellivello di rischio associato aciascuna struttura

Fase 2Analisi strutturale di dettaglio


Fase 3Programmazione interventi


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Criteri generali per la valutazione della sicurezza sismica di ponti esistentiFase 1 - Valutazione del grado di priorità

Identificazione delle strutture vulnerabili e classificazione in funzione del grado di priorità degli interventi necessari

L’approccio più rigoroso prevede l’esecuzione di un’analisi costi-benefici

Nella pratica si dà una stima del rischio relativo di un ponte rispetto agli altri sulla base dei seguenti fattori:1) sismicità del sito di costruzione2) vulnerabilità della struttura3) Importanza della struttura

Pianificazione ottimale delle risorse economiche da allocare per la gestione del patrimonio di ponti esistenti

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SismicitàParametro specifico del sito su cui sorge il ponte: è definito in base alla forma dello spettro di risposta del terremoto atteso, della PGA, e della probabilità annuale di eccedenza, della tipologia del terreno di fondazione

VulnerabilitàRappresenta la suscettibilità al danneggiamento o al collasso della costruzione causato dall’azione sismica, e dipende principalmente dalla tipologia strutturale, dall’età del ponte, dai dettagli costruttivi

ImportanzaParametro che dipende dalle conseguenze derivanti dal danneggiamento o dal collasso di un ponte: è legato al volume di traffico, al tipo di attraversamento, al mantenimento dell’operatività in vista del passaggio di veicoli di soccorso


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Quadro normativo vigente

1) Norme Tecniche per le Costruzioni, D.M. 14/01/2008

2) Istruzioni per l’applicazione delle “Norme Tecniche per leCostruzioni”, di cui al D.M. 14/01/2008. Supplemento ordinario n. 27 alla Gazzetta Ufficiale del 16/02/2009

3) Ordinanza del Presidente del Consiglio dei ministri n. 3431

4) Eurocode 1992-2, Concrete Bridges – Design and Detailing Rules

5) Eurocode 1998-2, Design of structures for earthquake resistance. Bridges.

6) Linee guida e manuale applicativo per la valutazione della sicurezza sismica e il consolidamento dei ponti esistenti in C.A. (Reluis - Marzo 2009)


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Nel caso dei ponti esistenti è ammesso verificare i soli Stati Limite Ultimi

• Stato limite di salvaguardia della vita (SLV):

“A seguito del terremoto la costruzione subisce rotture e crolli dei componenti non strutturali eimpiantistici, e significativi danni dei componenti strutturali cui si associa una perdita significativadi rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali; la costruzione conserva invece una parte dellaresistenza e rigidezza per azioni verticali e un margine di sicurezza nei confronti del collasso perazioni sismiche orizzontali” (DM2008, par. 3.2.1)

• Stato limite di collasso (SLC):“A seguito del terremoto la costruzione subisce gravi rotture e crolli dei componenti nonstrutturali e impiantistici, e danni molto gravi dei componenti strutturali; la costruzioneconserva ancora un margine di sicurezza per azioni verticali e un esiguo margine di sicurezzanei confronti del collasso per azioni orizzontali” (DM2008, par. 3.2.1)

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Nel caso dei ponti strategici, ponti di classe d’uso III e IV, occorre verificare che sia mantenuta la completa transitabilità anche a seguito di un evento sismico. Per tale ragione si procede alla verifica dello

Stato limite di danno (SLD)

“a seguito del terremoto la costruzione nel suo complesso, includendo gli elementi strutturali,quelli non strutturali, le apparecchiature rilevanti alla sua funzione, subisce danni tali da nonmettere a rischio gli utenti e da non compromettere significativamente la capacità di resistenza edi rigidezza nei confronti delle azioni verticali ed orizzontali, mantenendosi immediatamenteutilizzabile pur nell’interruzione d’uso di parte delle apparecchiature.” (DM2008, para 3.2.1)


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Informazioni per la valutazione della sicurezzaLe indagini conoscitive sono da indirizzare in modo prevalente:§ alle sottostrutture (pile e spalle)§ alle fondazioni§ ai sistemi di vincolo e interconnessione tra gli elementi strutturali (appoggi, giunti, etc)

Geometria dell’opera nel suo stato attuale§ Disegni costruttivi originali§ Disegni di contabilità (maggiormente attendibili)§ Rilievo completo della geometria§ Indagini conoscitive a campione sulle fondazioni

Dettagli costruttivi (disposizione e quantità delle armature)§ Disegni costruttivi originali § Disegni di contabilità (maggiormente attendibili) § Prelievo di un numero di saggi che consenta la determinazione delle armature presenti in un numero di sezioni sufficiente per costruire un modello strutturale adeguato al tipo di analisi e alle successive verifiche


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Dati necessari per la valutazione della sicurezzaProprietà meccaniche dei materialiIndicazioni iniziali di progettoRisultati di prove sperimentali eseguite all’atto del collaudo strutturale osuccessivamente ad esso

PILE E SPALLECalcestruzzoü Prelievi di campioni da sottoporre a prove di laboratorioü Prove di tipo non distruttivo eseguite a più larga scala sono un utile complementoma non possono essere utilizzate in sostituzione di quelle distruttiveAcciaioin assenza di dati sperimentali adeguati, è consentito far riferimento allecaratteristiche del materiale prescritto in sede di progetto previa limitata verifica acampione dell’effettivo utilizzo dello stesso.

IMPALCATI: è sufficiente la verifica del loro buono stato di conservazione, anchesenza rilevazioni sperimentali, se ritenute non necessarie dal progettista

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Dati necessari per la valutazione della sicurezza

Livelli di conoscenzaLC1: conoscenza limitataLC2: conoscenza adeguata

LC3: conoscenza accurata


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Dati necessari per la valutazione della sicurezza

Livelli di conoscenzaLC1: conoscenza limitataLC2: conoscenza adeguata

LC3: conoscenza accurata

Si deve in generale acquisire il livello LC3, salvo casi eccezionali per i quali, su indicazione della Committenza, è ammesso acquisire il livello LC2

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Criteri di modellazione strutturale

Il modello strutturale deve riflettere lo stato attuale della struttura o quelloin cui essa si troverà a seguito di interventi migliorativi che saranno messiin atto, quali la solidarizzazione delle solette, o di allargamento perl’adeguamento funzionale, etc.

Il modello strutturale deve poter descrivere tutti i gradi di libertàsignificativi caratterizzanti la risposta dinamica e riprodurre fedelmente lecaratteristiche di inerzia e di rigidezza della struttura, e di vincolo degliimpalcati

Nel caso dei ponti esistenti il modello strutturale può esserecalibrato sulla base dell’effettivo comportamento dinamico, che sipuò rilevare mediante misure in situ e caratterizzare attraversotecniche di identificazione dinamica


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Criteri di modellazione strutturale

Modello ad elementi finiti

Frequenze modali sperimentali

Sperimentazione e Identificazione Dinamica

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Criteri di modellazione strutturaleDeformate modali sperimentali


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Criteri di modellazione strutturaleMateriali:Nel caso in cui l’analisi sia di tipo non lineare, il modello strutturale deve poterseguire l’evolversi dello stato tensionale e deformativo della struttura oltre la faseelastica, prodotto dalla formazione di un numero crescente di zone plasticizzate.

Calcestruzzo Acciaio

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Criteri di modellazione strutturaleMateriali:

Calcestruzzo Acciaio


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Il modello di riferimento è costituito da una mensola verticale a massa distribuita lungol’altezza sulla quale grava la massa del pulvino e dell’impalcato.

ü In direzione trasversale all’asse del ponte ogni pila costituisce un oscillatoreindipendente

Metodi di analisiPonti isostatici con pile a fusto unico

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Massa efficace:

Altezzza:


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ü In direzione longitudinale, nell’ipotesi che siano previsti dei ritegni sismici, ilsistema è ancora a un grado di libertà, caratterizzato dalla somma delle masse afferentialle singole pile e dalla forza di richiamo somma delle forze delle singole pile


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Analisi statica non lineare semplificata



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Ponti iperstatici

Regolari

Non regolari

Analisi multi-modale con spettro di risposta elastico

Verifiche dei meccanismi/elementi duttili in termini di duttilità

Verifiche dei meccanismi/elementi fragili in termini di resistenza

Analisi multi-modale con spettro di risposta ridotto mediante q = 1.5

Verifiche di tutti i meccanismi ed elementi in termini di resistenza

Analisi dinamica non-lineare

Analisi statica non-lineare (push-over)

Metodi di analisi : Ponti iperstatici

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Regolarità della domanda inelastica

Rapporto tra domanda e capacità nell’i-esimo elemento

Ponte regolare

Le verifiche degli elementi sono eseguite in termini di capacitàdeformativa per i meccanismi/elementi duttili e di resistenza per quellifragili


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Analisi multimodale con spettro ridotto

Riduzione attraverso il fattore di struttura q (D.M. 14/01/2008, 3.2.3.5.)

Il valore massimo utilizzabile per q è pari a 1.5

le verifiche sono di resistenza per tutti i meccanismi/elementi

I valori delle resistenze si calcolano come nelle situazioni non sismiche


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Analisi statica non lineare mono-modale

Applicabile quando un singolo modo di vibrazione è caratterizzato da una massa partecipante pari o superiore all’80%


Applicazione alla struttura un sistema di forze di intensità crescente

M: Matrice delle masseφ : deformata del primo modo di vibrare, normalizzata ponendo uguale a 1 la componente corrispondente al grado di libertà di controllo


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Analisi statica non lineare mono-modale

Il risultato dell’analisi viene espresso in termini di curva taglio alla base – spostamento in sommità


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Analisi statica non lineare mono-modale Spostamento di snervamento del sistema bilineare equivalente

Rigidezza di snervamento del sistema bilineare equivalente

Periodo di snervamento del sistema bilineare equivalente

Domanda di spostamento del sistema bilineare

Domanda di spostamento della struttura

VerificaØ Confronto tra la domanda di duttilità e la capacità Ø Controllo che le forze di taglio siano minori delle rispettive resistenze



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Analisi statica non lineare multi-modale

VerificaØ Confronto tra la domanda di duttilità e la capacità Ø Controllo che le forze di taglio siano minori delle rispettive resistenze

Ø Effettuazione dell’analisi modale e selezione dei modi significativiØ Per ciascun modo selezionato effettuazione dell’analisi statica non lineare mono-modaleØ Combinazione delle grandezze di risposta

Analisi dinamica non lineareIntegrazione delle equazioni del moto su un modello non-lineare della struttura,soggetto ad un adeguato numero di accelerogrammi naturali, simulati o artificialispettrocompatibili


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Criteri di intervento

I ponti esistenti maggiormente vulnerabili all’azione sismica sono quelli non progettati per l’assorbimento delle azioni orizzontali di tipo sismico Alcuni dei principali criteri di rinforzo sismico dei ponti sono finalizzati a:

• Aumentare la resistenza• Aumentare la capacità di sviluppare spostamenti (Displacement Capacity)• Limitazione delle Forze• Modifica della Risposta Strutturale• Miglioramento delle caratteristiche del terreno di fondazione (Ground Improvement)• Ricostruzione parziale

Nessun Intervento

Demolizione e Ricostruzione dell’opera


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Elementi strutturali oggetto di intervento:

Appoggi: in genere sono stati progettati per assorbire le sole azioni verticali

Giunti e Slitte degli appoggi : in genere sono stati dimensionati per le azioni termiche e per il ritiro del calcestruzzo

Pile: possono presentare diverse criticità, tra cui la mancanza di confinamento allabase, insufficiente armatura longitudinale e trasversale, insufficiente sovrapposizionedelle barre di armatura longitudinale con le riprese dalla fondazione, instabilità dellebarre longitudinali di armatura

Spalle: i maggiori problemi sono relativi ai meccanismi di scorrimento alla base,capacità portante

Fondazioni: non risultano in genere idonee all’assorbimento delle forze orizzontaliprovenienti dalla struttura in condizioni sismiche; nel caso di fondazioni su pali èpossibile arrivare allo sfilamento degli stessi;


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Interventi sugli appoggiSostituzione dell’appoggio con un dispositivo in grado di assorbire le reazioni indotte dall’azione sismica§Valutazione della capacità dei baggioli e dei pulvini a trasferire le azioni sugli appoggi§ armature localizzate in corrispondenza degli appoggi per la diffusione delle forze§ armature orizzontali necessarie a riportare gli sforzi alla pila§ aggiunta di precompressione con barre

Appoggi in elastomero armato realizzati con mescole ad alto smorzamento (10%-15%), oppure con anima in piombo (smorzamento viscoso equivalente pari a circa il 30%)

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Giunti e Slitte degli appoggi

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Giunti e Slitte degli appoggi Estensione delle slitte d’appoggio

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Interventi sulle pileAumento della capacità resistente

Aggiunta di una camicia esterna in calcestruzzo dotata di armatura integrativa:Ø leggera idrodemolizione della superficie esterna della pilaØ posizionamento delle nuove armature longitudinali e trasversali Ø esecuzione dei fori necessari all’ancoraggio dell’armatura di collegamento fra il vecchio calcestruzzo ed il nuovo calcestruzzo Ø posizionamento dell’armatura di collegamento e successiva sigillatura delle armature di cucituraØ getto di un nuovo strato di calcestruzzo

Aumento del confinamentoIncamiciatura in acciaio o (per sezioni circolari) in fibre di carbonio


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Interventi sulle pilesezioni rettangolari

Incamiciatura in c.a.

Incamiciatura acciao.

Confinamentocon cavi

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Interventi sulle pile


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Incremento della rigidezza mediante travi di collegamento

Riduzione delle azioni sismiche trasmesse alla

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Interventi sulle pileInserimento setti in c.a.


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Interventi sulla sovrastrutturaRiduzione delle sollecitazioni nell’impalcato

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Interventi sulle fondazioni

Aumento della stabilità

Ancoraggio della fondazioneattraverso tiranti nel terreno o neipali di fondazione


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Interventi sulle fondazioniAumento della stabilità

Aumento delle dimensioni della fondazione

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Interventi sulle fondazioniAumento della resistenza per sollecitazioni flessionali e di taglio

Messa in opera di uno strato superiore dielevato spessore in calcestruzzo armato,opportunamente collegato alla fondazioneesistente

Precompressione mediante cavi post-tesi, in fori orizzontali realizzati nellospessore della fondazione


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Interventi sulle spalle

Ø Garantire la sicurezza nei confronti dei meccanismi di corpo rigidoØ Incremento di capacità portante (inserimento di armatura integrativa)Ø Incremento della sicurezza nei confronti dello scorrimento (realizzazione di tiranti attivi o passivi)

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Interventi sulle spalle

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