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INGEGNERIA DELLE STRUTTURE,TRASPORTI ,ACQUE,RILEVAMENTO DEL TERRITORIO - BOLOGNA(BO)
INTRODUZIONE La salvaguardia del patrimonio costruito, in materia di edilizia e infrastrutture civili, rappresenta un settore di interesse strategico nel nostro paese per i suoi rilevanti risvolti in campo sociale ed economico.Gran parte di tale patrimonio è costituito dalle strutture ed infrastrutture in calcestruzzo armato realizzate tra gli anni '50 e '70. Tali strutture possono presentare problemi di ammaloramento tali da renderne inadeguata la prestazione in servizio. A ciò deve essere aggiunto il fatto che la nuova definizione dei criteri di protezione dal rischio sismico rende di fatto necessario un intervento generalizzato di adeguamento su buona parte del patrimonio esistente. Il presente progetto completa ed estende il progetto finanziato e completato nel biennio 2002-2004 finalizzato a mettere a punto criteri innovativi per la diagnostica e la salvaguardia di opere in calcestruzzo armato per le infrastrutture. Inoltre all'avvio del progetto che si propone saranno disponibili i dati di una vasta campagna di rilievo e analisi sismica di ponti in servizio nella Provincia di Pistoia, frutto di una Convenzione siglata dal Dipartimento DISTART. Oggetto del progetto proposto è la messa a punto di protocolli di valutazione dell'influenza dello stato di deterioramento superficiale e della tecnica di riparazione sull'efficienza meccanica di sistemi di rinforzo esterno in FRP incollati su strutture in calcestruzzo e muratura. La definizione di una tecnica di adeguamento sismico che consenta di elevare resistenza e duttilità di strutture che presentano uno stato di conservazione basso o non ottimale, comporta notevoli incertezze legate sia alla scelta dei valori di progetto per le resistenze del calcestruzzo, sia al grado di efficienza che le interfacce con i rinforzi esterni potranno garantire. La ricerca verrà portata avanti in varie fasi, di concerto con gli Enti proprietari dei manufatti che verranno esaminati allo scopo di individuare la prestazione relativa delle varie tipologie di rinforzo. In particolare si studieranno in dettaglio alcune tipologie di ponti (a trave semplice, precompressa, a trave continua, ad arco di muratura e di pietra, ecc.), ed in relazione al grado di danneggiamento del materiale e della superficie esterna si valuteranno gli incrementi di portata utile e di resistenza sismica dei manufatti. Le analisi numeriche saranno confrontate con prove di aderenza e taglio che verranno eseguite in parti del calcestruzzo o della muratura campionate in opera, oppure se possibile direttamente sulla superficie della struttura stessa. SCOPO DELLA RICERCA Il deterioramento ed il degrado del conglomerato cementizio in opere quali ponti e gallerie su strade di grande comunicazione, sono dovuti a numerosi fattori e si presentano sotto una molteplicità di aspetti. Tra i fattori determinanti sono da annoverare l'esposizione ambientale, i carichi di servizio e le modalità di costruzione dell'opera e, in relazione all'importanza dell'opera, gli eventi sismici. Agenti chimici e fisici possono condurre ad un graduale accrescimento della porosità e della permeabilità, ed a questo segue una perdita di integrità del materiale. Negli impalcati da ponte, oltre agli attacchi chimici, il deterioramento è legato ad un basso livello di fatica per carichi ciclici, al carico termico, alla corrosione delle barre d'armatura. Tale deterioramento assume la forma di un danno microscopico distribuito, rappresentato da cavillature diffuse e da regioni ad elevata porosità, che possono evolvere in difetti macroscopici come fratture, delaminazioni, frammentazioni (spalling) e sfaldature (scaling). La distribuzione del danno microscopico risulta spesso legata al fattore che lo ha provocato: ad esempio cicli di gelo-disgelo (freeze-thaw cycles) tendono a produrre una distribuzione uniforme di danno microscopico mentre le incrostazioni di sale (salt-scaling) tendono a produrre nello spessore un gradiente di danno. L'uso di tecniche di indagine non distruttive (come l'impact-echo test) si è consolidato per individuare la presenza e la posizione di ampie fratture. Tuttavia per la valutazione e la caratterizzazione del danno microscopico diffuso non esistono tecniche consolidate supportate da modelli analitici affidabili. Un ulteriore aspetto da considerare è quello dello stato delle armature metalliche che, a seguito dell'insorgenza e della diffusione del danno nel calcestruzzo, anche a livello microscopico, entrano a contatto con l'ambiente aggressivo circostante e subiscono a loro volta fenomeni di degrado. In particolare, le armature nel tempo possono presentare fenomeni di corrosione, che si manifestano in funzione della qualità della lega metallica di base, favoriti dall'eventuale presenza di precipitati o inclusioni. La corrosione dà luogo localmente a riduzioni di sezione anche considerevoli che, per effetto del carico cui l'armatura è soggetta, comportano incrementi del livello tensionale ed il conseguente innesco di cricche in corrispondenza delle zone con maggiore concentrazione di tensione. Laddove il grado di deterioramento complessivo consenta il mantenimento in esercizio dell'opera e il suo adeguamento sismico con interventi di consolidamento strutturale, si può ricorrere all'applicazione di tecniche basate sull'impiego di FRP allo scopo di incrementare le azioni resistenti ove richiesto. Tuttavia, l'efficacia di tali interventi di rinforzo è condizionata dalla qualità dell'aderenza che si sviluppa tra rinforzo e substrato di calcestruzzo. Inoltre, una volta in opera tali rinforzi possono essere esposti ad un ambiente aggressivo, caratterizzato da condizioni di temperatura e umidità variabili e dalla presenza di sostanze chimiche inquinanti. Infine la struttura deve garantire il grado di protezione sismica richiesto dalla sua importanza. In sintesi, gli obiettivi della ricerca possono essere così elencati: 1. verifica di protocolli di diagnosi basati su prove sperimentali non distruttive e modelli analitici sviluppati nella precedente ricerca e identificazione dello stato di danneggiamento dei materiali costituenti l'elemento strutturale (calcestruzzo e armature metalliche), a livello locale e globale; 2. analisi comparativa delle differenti soluzioni di rinforzo in relazione all'efficacia dell'intervento; 3. verifica del grado di protezione sismica che deriva dai differenti sistemi di rinforzo e dagli interventi complementari eventualmente previsti; 4. verifica sperimentale delle proprietà meccaniche d'interfaccia ed eventualmente del risultato di interventi di consolidamento su manufatti che nel frattempo siano stati riparati. FASI DELLA RICERCA FASE I (Durata: 6 mesi) - Indagine di strutture a scala complessiva L'indagine su scala strutturale è quella che riguarda gli elementi oggetto di studio nel loro insieme e prevede uno studio finalizzato alla determinazione dello stato di conservazione delle opere d'arte. In particolare, l'indagine sarà tesa a rilevare l'omogeneità delle caratteristiche del calcestruzzo e della muratura, ad individuare la presenza, l'entità e l'estensione di zone anomale, caratterizzate da una significativa porosità e/o fessurazione oppure, più vistosamente, da cavità e/o distacchi. In questa fase verrà inoltre verificato lo stato delle eventuali armature metalliche. L' indagine dovrà fornire una mappatura che evidenzi la presenza di eventuali regioni "deboli" e regioni "sane" nell'elemento strutturale e dovrà individuare le zone del manufatto ove effettuare eventuali prelievi. A questo scopo, si procederà come esposto nel seguito: - Effettuazione di prove non distruttive (NDT) in sito mediante apparecchiature ad ultrasuoni; - Esplorazione dello stato delle armature metalliche; -Prelievo di carote e/o microcarote dalle parti di calcestruzzo. Il numero ed il tipo di campioni prelevati di volta in volta sarà funzione del livello di danneggiamento rilevato e dell'estensione delle zone deteriorate. FASE II (Durata: 12 mesi): Indagine numerica di calibrazione degli effetti degli schemi d'intervento In questa fase si predisporranno modelli numerici di complessità crescente per schemi tipo d'intervento di adeguamento sismico. Le proprietà meccaniche e geometriche del modello ad elementi finiti verranno fissate in relazione alla campagna di indagini completata nella fase precedente. Le analisi numeriche verranno condotte con metodologia di tipo "performance based design" in modo da identificare il livello di protezione generato dai diversi sistemi di rinforzo a confronto. FASE III (Durata: 6 mesi): verifica sperimentale dell'efficienza dei sistemi ottimali In tale fase si procederà a verificare con prove localizzate in sito o con prove dinamiche su manufatti in scala ridotta il comportamento degli schemi di rinforzo analizzati. In tal modo si arriverà infine ad un codice di pratica ragionato per la selezione dei rinforzi in base all'incremento di protezione sismica necessario.
