Università degli studi Roma Tre · 2010. 5. 31. · Dott. Ing. Carlo Cestelli Guidi e dal Prof....

Università degli studi Roma Tre

Facoltà di Ingegneria

Corso di laurea in

Ingegneria Civile per la protezione dai rischi naturali

Curriculum Strutture

Titolo della Tesi:

Progetto d’adeguamento e allargamento viadotto

“Italia” rispetto agli effetti locali e fatica

Relatore

Laureando

Prof. Fabio Brancaleoni Mattia Campolese

Matricola: 256606

Anno accademico: 2008 / 2009

“Homo quisque faber ipse fortunae suae”

Appio Claudio il Cieco, Roma 300 a.C.

Università Roma Tre ‐ Ingegneria Civile – Progetto d’adeguamento e allargamento viadotto “Italia” rispetto agli effetti locali e fatica

Capitolo: INTR

ODUZIONE

1

SOMMARIO

IINNTTRROODDUUZZIIOONNEE ............................................................................... 6

Storia del Viadotto Italia ....................................................................................6

Descrizione dell’opera ......................................................................................................... 6

Il concorso ............................................................................................................................ 8

La progettazione e l’esecuzione del viadotto .................................................................... 17

La sperimentazione ........................................................................................................... 17

La progettazione esecutiva ................................................................................................ 20

Il varo ................................................................................................................................. 21

Materiali ......................................................................................................... 28

Materiali strutture esistenti .............................................................................................. 28

Materiali nuove strutture ................................................................................................. 29

Tensioni di calcolo ............................................................................................................. 29

Normativa adottata per l‘intervento .............................................................. 31

ANALISI DEI CARICHI ...................................................................... 33

Tipologie agenti .............................................................................................. 33

Dettagli .............................................................................................................................. 35


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2

Norma del 1962 .............................................................................................. 44

Normativa attuale – NTC2008 ........................................................................ 51

Combinazioni dei carichi .................................................................................................... 51

Coefficienti di combinazione e di sicurezza ....................................................................... 52

Pesi propri strutturali......................................................................................................... 53

Permanenti portati ............................................................................................................ 53

Traffico ............................................................................................................................... 54

Vento ................................................................................................................................. 64

Azione sismica .................................................................................................................... 71

EFFETTI LOCALI .............................................................................. 83

Introduzione alle piastre ortrotrope .............................................................. 85

Storia evolutiva degli impalcati in lastra ortotropa ........................................................... 86

Caratterizzazione degli impalcati ....................................................................................... 89

Cenni sulle metodologie classiche di calcolo ................................................................... 102

Modellazione dell’impalcato ........................................................................ 117

Criteri di modellazione in SAP2000 ................................................................................. 118

Modello 1: Schema ponte attuale ................................................................................... 124

Modello 2: Schema ponte con allargamento .................................................................. 162

Risultati ottenuti ........................................................................................... 177

Impalcato originale – carichi da traffico 1962 ................................................................. 179


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Impalcato originale – carichi da traffico NTC2008 .......................................................... 190

Impalcato con allargamento – carichi da traffico NTC2008 ............................................ 196

Impalcato con allargamento – urto veicolo in svio NTC2008 .......................................... 201

Riepilogo dei risultati ....................................................................................................... 207

FATICA ......................................................................................... 208

Il fenomeno della fatica nelle piastre ortotrope .......................................... 213

Effetto dei carichi ............................................................................................................. 213

Effetti delle imperfezioni dei materiali e della cattiva fabbricazione ............................. 213

Tipiche rotture a fatica .................................................................................................... 214

Crisi delle pavimentazioni e loro cause ........................................................................... 216

Teoria delle curve S – N e loro limitazioni ....................................................................... 220

Evidenze sperimentali del comportamento a fatica ....................................................... 223

Verifiche a fatica secondo normativa ........................................................... 227

Vita illmitata .................................................................................................................... 227

Danneggiamento ............................................................................................................. 232

Modellazione del comportamento a fatica .................................................. 234

Problematiche conosciute ............................................................................................... 234

Criteri adottati ................................................................................................................. 234

Determinazione delle impronte di carico da applicare ................................................... 235

Modello agli elementi finiti ............................................................................................. 242


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4

Verifica a fatica finale dell’impalcato ........................................................... 247

Δσ di interesse ................................................................................................................. 247

Dimensionamento delle saldature .................................................................................. 249

Verifica saldature a vita illimitata .................................................................................... 260

Verifica saldature a danneggiamento ............................................................................. 261

Conclusioni ....................................................................................................................... 262

INTERVENTO ................................................................................ 263

Determinazione delle sollecitazioni di progetto ........................................... 263

Modello globale dell’impalcato ....................................................................................... 263

Sovrapposizione degli stati tensionali locali a quelli globali ........................................... 266

Considerazioni generali ................................................................................................... 272

Presentazione dei risultati ............................................................................................... 274

Fase di varo ...................................................................................................................... 276

Effetto dei cedimenti ....................................................................................................... 280

Prospetto dei carichi finali applicati al modello di ponte allargato (norma NTC2008) ... 283

Valutazione sollecitazioni dovute allo Stato limite ultimo “convenzionale” .................. 284

Valutazione sollecitazioni dovute all’azione sismica ....................................................... 293

Confronto finale ............................................................................................................... 310

Dimensionamento dell’intervento di rinforzo .............................................. 312

Effetti globali e locali dello S.L.U. fondamentale ............................................................. 312


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5

Verifiche finali alle azioni accidentali .............................................................................. 317

Verifica dell’impalcato durante la fase di allargamento ............................... 318

L’intervento finale di allargamento e rinforzo .............................................. 321

Allargamento in rettilineo ............................................................................................... 322

Allargamento in curva ..................................................................................................... 323

Fasi dell’intervento di allargamento e rinforzo ............................................ 325

Fase 1 ............................................................................................................................... 325

Fase 2 ............................................................................................................................... 326

Fase 3 ............................................................................................................................... 332

Fase 4 ............................................................................................................................... 333

Fase 5 ............................................................................................................................... 334

Fase 6 ............................................................................................................................... 335

Fase 7 ............................................................................................................................... 336

BIBLIOGRAFIA .............................................................................. 337

ALLEGATI ..................................................................................... 339


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6

IINNTTRROODDUUZZIIOONNEE

STORIA DEL VIADOTTO ITALIA

DESCRIZIONE DELL’OPERA

Il viadotto “Italia” è uno dei viadotti più importanti d’Italia. Con i suoi 251 metri di dislivello

fra il piano di scorrimento stradale ed il fondovalle ove scorre il fiume Lao è stato fino al

2004 il viadotto più alto d’Europa superato poi dal Viaduc de Milau. Resta comunque il

quarto ponte al mondo a viabilità ordinaria per altezza.

Figura 1: Foto del Viadotto sul Lao detto "Viadotto Italia" sulla A3


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Il viadotto Italia si trova sul terzo tronco dell’autostrada A3 Salerno ‐ Reggio Calabria in

provincia di Cosenza nei pressi del comune di Laino Borgo, tra Lauria e Normanno. Più

esattamente il viadotto inizia al Km 351+50 della Salerno –Reggio Calabria subito dopo lo

sbocco della galleria Bosco Selvaggio e finisce 1.161 metri dopo.

Figura 2: Localizzazione geografica

E’ costituito da diciannove campate poggianti su 18 piloni a struttura scatolare tutte in c.a. e

sulle due spalle estreme a cassone anch’esse in cemento armato. Le tecnologie costruttive

usate per gli implacati del ponte sono due. Ossia si hanno tratti costituiti da cassoni in

cemento armato precompresso mentre il tratto centrale è costituito da un cassone metallico

a lastra rinforzata (o a “lastra ortotropa”).

Provenendo dal lato Salerno in direzione Reggio Calabria i primi 319 metri sono costituiti da

un cassone in cemento armato precompresso per un totale di sette campate,con interasse

dei supporti variabile fra 43,60 e 46,70 metri, e sette pile più la spalle iniziale. I successivi 425

metri detti “Grandi Luci” sono costituiti da tre campate(125+175+125 metri) realizzate con

un unico cassone in acciaio a lastra rinforzata poggiante su quattro pile per poi terminare

con gli ultimi 420 metri costituiti da cassoni in calcestruzzo armato precompresso ad

interasse variabile tra m. 48,40 e 43,60 m.


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L’impalcato è tutto a carreggiate riunite, ad eccezione delle ultime due campate in direzione

Reggio Calabria nei quali le sedi sono separate

L’asse stradale ha uno sviluppo in parte in curva e parte in rettifilo. Più precisamente i primi

412 metri sono in curva con un raggio costante di 424 metri, interessando quindi anche la

prima parte delle grandi luci, mentre la parte rimanente è in rettifilo.

Il piano viabile è formato da due sedi unidirezionali larghe ciascuna 8,50 metri separate da

uno spartitraffico centrale largo 1,10 metri. Sono presenti marciapiedi ambo i lati larghi 1,75

m. e rialzati di 15 cm rispetto al piano viabile. La larghezza complessiva della sede stradale è

quindi di 21,60 metri. Dimensione più grande rispetto alle normali dimensioni delle

autostrade dell’epoca

La zona del viadotto sulla quale sono state svolte tutte le analisi e le considerazioni che

seguiranno nei prossimi capitoli è esclusivamente il tratto riguardante le grandi luci ossia il

tratto di viadotto di sviluppo totale 425 metri costituito da un unico cassone in acciaio a

lastra ortotropa.

IL CONCORSO

Nel 1964 l’A.N.A.S. bandiva un concorso, il cui testo integrale è allegato, denominato

“Concorso nazionale fra Ingegneri e architetti italiani per la progettazione di massima del

viadotto attraversante il fiume << Lao >>, ricadente lungo il 3° tronco dell’autostrada

Salerno‐Reggio Calabria nel tratto Casalbuono‐Campotenese (provincia di Cosenza)”.

Tale concorso era stato bandito “ data l’importanza dell’opera e le particolari caratteristiche

plano altimetriche del terreno interessato dal viadotto”.

Elemento importante riportato direttamente nel testo del concorso sono le Norme di

riferimento da adottare nella progettazione dell’opera. Più precisamente sono citate le

norme vigenti all’epoca circa la progettazione di ponti ricadenti in zona simica, ossia:


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1. Normale n° 384 del 14 febbraio 1962 per quanto riguarda le azioni da considerare nei

calcoli,

2. Legge n° 1684 del 25 novembre 1962 concernente le costruzioni ricadenti in zona

sismica.

Di entrambe le norme è allegato il testo integrale e se ne parlerà più approfonditamente in

seguito.

Altro elemento rilevante presente nel bando di concorso è che si specificano le dimensioni

dell’impalcato ma si lascia libera scelta al progettista riguarda le tecnologie ed i materiali da

impiegare nella progettazione.

Il progetto primo classificato fu quello designato con il motto << Viadotto italia – misto >>

redatto dal complesso d’ingegneri costituito dai Prof. Dott. Ing. Fabrizio De Miranda, Prof.

Dott. Ing. Carlo Cestelli Guidi e dal Prof. Dott. Ing. Carmelo Pellegrino Gallo con la

collaborazione degli Ingegneri Giorgio Croci, Ludovico De Lalla e Giacinto Turazza.

L’esame preliminare dell’andamento plano‐altimetrico e dello schema statico proposto

misero subito in evidenza alcuni elementi di particolare rilevanza del progetto vincitore,

ovverossia:

1. l’esistenza di un tratto centrale di notevole sviluppo (425 metri) su sole tre

campate da eseguirsi in acciaio con conseguenti effetti di dilatazione termica non

trascurabili;

2. la snellezza dei piloni, in relazione alla loro elevato altezza (massima altezza 145

m);

3. l’assorbimento degli effetti delle azioni sismiche orizzontali;

4. l’elevata altezza dell’impalcato sulle pendici del vallone.

Uscì l’anno seguente un articolo sulla rivista “Costruzioni metalliche” (Costruzioni metalliche

n° 6 ‐1965) dove si riportavano le caratteristiche generali del progetto con alcune sezioni

dell’impalcato e delle pile nonché la sezione ed il profilo plano‐altimetrico dell’intera opera.


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Nell’articolo come in altri dell’epoca si sottolineava come il viadotto “Italia” fosse il primo

esempio rilevante in Italia d’impiego di cassone a lamiera irrigidita per luci del genere.

Inoltre è ben specificato come l’impiego dell’acciaio rende la struttura molto leggera

diminuendo quindi gli effetti dovuti al sisma

Particolare rilevante è che si specifica come siano stati eseguiti una serie di confronti con

varie norme anche estere per garantire le migliori caratteristiche statiche e di durevolezza

all’opera. Su quest’ultimo punto è riportato, infatti, come fosse previsto già in questa fase

preliminare l’applicazione delle norme delle FF.SS. italiane circa l’applicazione di trattamenti

protettivi.

Tutte le immagini seguenti sono tratte dall’articolo “Il progetto del viadotto sul fiume Lao

dell’Autostrada Salerno – Reggio Calabria” pubblicato sulla rivista Costruzioni me tattiche

n°6 del 1965:

Figura 3: Fotografia del plastico del progetto originale


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Figura 4: Sezioni trasversali dell’ impalcato metallico

Figura 5: Principali particolari costruttivi dell'impalcato in acciaio


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Figura 6: Sezione longitudinale delle pile


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Figura 7: Sezione trasversale pila

Figura 8: Sezione longitudinale e pianta del viadotto (1)


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Figura 11: Sezione longitudinale viadotto completa


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LA PROGETTAZIONE E L’ESECUZIONE DEL VIADOTTO

Nel febbraio del 1966 l’A.N.A.S indisse l’appalto concorso per l’esecuzione dell’opera.

La ditta che risultò vincitrice fu l’Impresa ingegner Lodigiani di Milano che redasse il progetto

con la consulenza generale del Prof. Riccardo Morandi.

Il progetto e la realizzazione della parte in acciaio furono studiati dall’Ing. Gino Corve e dalla

Società Antonio Badoni di Lecco.

LA SPERIMENTAZIONE

Come antecedentemente accennato il viadotto Italia presentava delle soluzioni costruttive

che non erano mai state utilizzate in Italia. Come si evince anche da articoli dell’epoca, non si

aveva grande esperienza anche nel campo della scienza e della tecnica delle costruzioni per

strutture di tali dimensioni. Difatti in un articolo è riportato come le norme tedesche DIN,

che si ritenevano le più avanzate all’epoca per quanto riguarda l’instabilità delle lastre a

parete irrigidite, imponevano di considerare l’inerzia dell’irrigidimento moltiplicata per un

valore da 3 a 7 volte. Era evidente quindi che anche se vi fosse una campagna già avviata di

sperimentazione riguarda strutture del genere erano ancora gli albori della tecnica delle

lamiere irrigidite.

Per tali ragioni fu necessario effettuare confronti fra le varie normative vigenti all’epoca, di

cui si parlerà in seguito, nonché l’impiego della modellistica per simulare il comportamento

dell’opera soprattutto quando sottoposta a sisma.

Per quanto riguarda quest’ultimo aspetto, infatti, la Lodigiani commissionò all’ISMES

(Istituto Sperimentali Modelli e Strutture) di Bergamo un complesso di prove su modello per

lo studio del comportamento dinamico della viadotto sotto le azioni sismiche.

Fase antecedente a questa fu quella di confrontare il valore dell’azione da impiegare nel

progetto. Vennero confrontati i valori forniti dalle norme italiane con quelle francesi e risultò

di gran lunga più gravosa l’azione imposta dalle norme italiani vigenti all’epoca, ossia


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l’applicazione di una forza orizzontale pari a 0,07 volte il peso dell’impalcato (vedi articolo

allegato).

L’ISMES costruì due modelli: uno per la travata metallica ed uno per le campate in c.a.p.

Per il primo modello, ossia quello di nostro interesse, venne usato come unico materiale il

celluloide sia per l’impalcato d’acciaio che per le pile in cemento armato

(n=2.000.000/250.00=8). La scala del modello era 1:80.

Effettuate le considerazioni proprie della teoria dei modelli per ottenere i rapporti fra le

sollecitazioni e le deformazioni reali e quelle su modello si passò alla sperimentazione.

La sperimentazione venne effettuata mediante l’impiego di una tavola vibrante posta in

oscillazione da particolari attrezzature e speciali strumenti che permettevano la

determinazione delle deformate degli sforzi dinamici, in funzione della frequenza del moto al

piede, e la lettura degli spostamenti. Le prove vennero eseguite con vari valori di frequenza

e smorzamento.

La sperimentazione permise quindi di determinare la risposta della struttura alle azioni

dinamiche utile sia per il dimensionamento della travata nonché del giunto a pettine fra i

l’impalcato in c.a.p. e la travata metallica.

Figura 12: Giunto a pettine fra impalcato metallico ed impalcato in c.a.p.


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Figura 13: Foto del modello posto su piastra vibrante

Figura 14: Esempio di risultati elaborati


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LA PROGETTAZIONE ESECUTIVA

Per quanto riguarda la progettazione esecutiva vennero effettuate delle modifiche di

carattere costruttivo al cassone lasciando immutata la geometria generale ovviamente.

Elemento di forte innovazione per l’epoca fu quello di prevedere giunzioni bullonate ad

attrito, con l’impiego di bulloni ad alta resistenza, in opera. Tale procedura evita le

incertezze relative alle saldature o alle chiodature in opera.

Venivano quindi posti in opera pannelli prefabbricati in officina, assiemati per saldatura ad

arco che essendo eseguita in stabilimento presenta minor incertezza e più facile controllo. In

totale i pannelli erano 600. Il collegamento di essi rese necessario l’impiego di oltre 420.000

bulloni ad alta resistenza del tipo 10K. Come accennato era stato previsto un trattamento

protettivo delle parti innovativo per l’epoca. Tale procedura prevedeva la preparazione delle

superfici mediante sabbiatura con graniglia metallica ed applicazione di una mano di

antiruggine sintetica, per procedere poi in cantiere alla verniciatura finale. Inoltre nelle zone

di coprigiunto, già sabbiate come detto, si effettuò una ulteriore spazzolatura

immediatamente prima della messa in opera.

Figura 15: Sezione trasversale impalcato originale


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IL VARO

Elemento di ulteriore novità fu la tecnologia impiegata per il varo del viadotto. Anziché

ricorre al sistema a sbalzo per mezzo di derrick fu utilizzato, per la prima volta su viadotti di

tale luce, un impianto di due gru a fune detto blondins.

Tale soluzione tecnologica fu resa necessaria vista l’elevata altezza delle pile centrale

tenendo conto anche dell’elevato dislivello rispetto al fondovalle (256). Tali altezze

imposero, difatti, di limitare i pesi e quindi le dimensioni dei singoli pannelli fino ad un

massimo di 6 tonnellate.

I due blondins avevano campate rispettivamente di 576 e 586 metri distanti fra loro 12m.

Erano presenti due antenne a sostegno delle funi portanti le quali poi si ancorano nella

roccia, mediante la realizzazione dia apposite gallerie, lato Salerno. Le antenne hanno altezza

complessiva di 110 metri collegate in sommità in modo da costituire una struttura a portale.

Gli argani di traslazione e la cabina di comando si trovavano entrambi lato Salerno. La

Figura 16: Antenne a sostegno delle funi portanti


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portata utile del gancio era 10 tonnellate con velocità di sollevamento 0,6 m/s mentre quella

di traslazione, garantita da un altro argano, era di 2 m/s.

Lo schema del montaggio di sviluppò in tre fasi che durarono circa 12 mesi.

Costruite tutte le pile nonché l’implacato da lato Salerno fino all’inizio della travata metallica

si è proceduti alla costruzione di una torre in acciaio uguale alla pila 8 a distanza da essa di

25 metri e collegata ad essa mediante strutture orizzontali.

Si iniziò quindi a montare la travata dalla pila 8 in ambo le direzioni, fino a raggiungere la pila

7 e quindi a completare la prima campata e, dall’altro lato, fino a quasi la mezzeria. Si ha

quindi la prima campata interamente realizzata mentre quella centrale e per metà a sbalzo.

Figura 17: Fase costruttiva pila


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Figura 18: Varo campata iniziale e centrale

La seconda fase è speculare alla prima, ossia si smonta la torre adiacente la pila 8 e si

ricostruisce, anche se di maggiori dimensioni (155m per 520 tonnellate contro i 120 metri

Figura 19: Fase terminale campata centrale


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Figura 18: Cucitura dei due conci

Figura 20: Vista dei due conci prima della cucitura

per 400tonn.), adiacente alla pila 9. Si costruisce l’altra parte di travata specularmente a

quella della prima fase lasciando quindi vuoto un concio centrale.

Prese le misure del vuoto fra le due parti si costruiscono i pezzi in officina e si avvia la terza

fase ossia la cucitura delle due parti di travata. Tale operazione impiegò circa 5 giorni.

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