Ponti a Prova di Tempo e Terremoto: Sveliamo i Segreti dei Pilastri Cavi Danneggiati

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi nel cuore di un argomento che mi appassiona molto e che è fondamentale per la sicurezza delle nostre infrastrutture: la performance sismica dei ponti, in particolare quelli con pilastri cavi in cemento armato (CA). Immaginate queste imponenti strutture che sorreggono strade e ferrovie: sono essenziali, ma come tutto, invecchiano e si deteriorano. Capire come si comportano durante un terremoto, specialmente quando sono già indebolite, è una sfida cruciale.

La Sfida: Pilastri Cavi e il Peso degli Anni (e del Sale!)

I pilastri cavi sono una scelta ingegneristica intelligente: sono più leggeri di quelli pieni, il che riduce il carico sulle fondazioni e le forze inerziali durante un sisma. Un bel vantaggio! Sono molto usati, ad esempio, nei ponti ferroviari. Tuttavia, non sono immuni ai problemi. Pensate agli agenti atmosferici, ai sali disgelanti usati d’inverno, alla carbonatazione del calcestruzzo… tutti fattori che, nel tempo, portano al deterioramento.

Il nemico numero uno è spesso la corrosione delle barre d’armatura interne. Questo processo subdolo non solo riduce la sezione resistente dell’acciaio, ma peggiora anche l’aderenza tra acciaio e calcestruzzo a causa delle crepe e dei prodotti della corrosione stessa. E qui arriva un punto chiave, spesso sottovalutato: la corrosione riduce drasticamente l’allungamento dell’acciaio. L’allungamento è una misura della sua capacità di deformarsi prima di rompersi, una proprietà fondamentale per la duttilità della struttura, cioè la sua capacità di assorbire energia sismica deformandosi plasticamente senza collassare. Se l’acciaio diventa più fragile (meno allungabile), il pilastro rischia un collasso improvviso sotto sisma.

Questo deterioramento non è solo un problema tecnico, ma anche economico e sociale: la manutenzione e le riparazioni costano tantissimo, a volte fino al 50% dell’investimento iniziale in alcuni paesi europei!

La Nostra Soluzione: Un Modello Analitico Avanzato

Affrontare questo problema solo con esperimenti è complesso e costoso. Ecco perché abbiamo lavorato per potenziare un potente strumento di analisi agli elementi finiti non lineare che avevamo già sviluppato, chiamato RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology). Cosa abbiamo fatto di nuovo? Abbiamo integrato un modello di deterioramento più sofisticato e, soprattutto, abbiamo esteso il concetto di indice di danno per includere specificamente l’effetto della riduzione dell’allungamento nelle armature deteriorate.

Il nostro modello ora tiene conto di:

• Riduzione dell’area delle barre d’armatura corrose.
• Peggioramento dell’aderenza acciaio-calcestruzzo.
• Modifica delle proprietà meccaniche dell’acciaio corroso, inclusa la sua minore capacità di allungarsi.
• Comportamento del calcestruzzo fessurato e confinato dalle armature trasversali (staffe).

Questo ci permette di simulare in modo molto più realistico cosa succede dentro un pilastro cavo deteriorato quando arriva un terremoto.

Misurare il Danno: L’Indice Esteso

Come si fa a quantificare numericamente il danno? Usiamo un concetto chiamato indice di danno. È un valore che va da 0 (nessun danno) a 1 (collasso). Tradizionalmente, si basa sulle deformazioni massime raggiunte da calcestruzzo e acciaio. Noi lo abbiamo “esteso”, introducendo un coefficiente (({Phi }_{e})) che tiene conto proprio della riduzione di allungamento dell’acciaio dovuta alla corrosione.

Questo indice ci permette di definire diversi livelli di performance:

• Indice 0.1: Lievi fessure, barre non snervate. Livello pienamente operativo.
• Indice 0.4: Barre snervate, fessure importanti, possibile distacco del copriferro. Livello operativo limitato.
• Indice 0.75: Inizio della rottura delle barre. Livello di prevenzione del collasso.
• Indice 1.0: Fallimento.

Questo strumento diventa fondamentale per valutare la sicurezza residua di un ponte esistente e per progettare nuove strutture più resilienti.

La Prova del Nove: Confronto con gli Esperimenti

Un modello, per quanto sofisticato, deve essere validato. Abbiamo preso i risultati di esperimenti reali condotti in passato su due provini di pilastri cavi in CA (chiamati qui HC-D1 e HC-D2, con diversi rapporti tra diametro interno ed esterno). Questi provini sono stati sottoposti a cicli di carico laterale simulando un terremoto, misurando forze e spostamenti fino al danneggiamento severo.

Abbiamo quindi simulato questi esperimenti con il nostro RCAHEST modificato. I risultati? Come potete immaginare dalle curve carico-spostamento (che qui descrivo), l’accordo tra le previsioni del nostro modello e i dati sperimentali è stato davvero notevole, sia in termini di carico massimo raggiunto che di comportamento generale (le cosiddette curve di isteresi, che mostrano la capacità di dissipare energia). Questo ci ha dato grande fiducia nella nostra metodologia.

Simulazioni Parametriche: L’Impatto Reale della Corrosione (e dell’Allungamento)

Una volta validato il modello, lo abbiamo usato per esplorare scenari diversi. Cosa succede se il livello di corrosione aumenta? Abbiamo simulato i nostri provini HC-D1 e HC-D2 ipotizzando livelli di corrosione crescenti: 7%, 14%, 20% e 30%.

I risultati sono stati chiari: all’aumentare della corrosione, la capacità portante e la capacità di dissipare energia dei pilastri diminuiscono significativamente. Ma l’aspetto più interessante è emerso confrontando le analisi fatte considerando la riduzione di allungamento dell’acciaio con quelle che non la consideravano.

Senza tener conto della riduzione di allungamento, in alcuni casi si verificava un fenomeno strano, quasi controintuitivo: l’indice di danno calcolato a certi livelli di spostamento (drift ratio) diminuiva leggermente all’aumentare della corrosione! Questo è noto come “fenomeno di inversione” ed è chiaramente irrealistico.

Introducendo nel modello il nostro fattore di riduzione dell’allungamento (({Phi }_{e})), basato su dati sperimentali affidabili sulla relazione tra corrosione e proprietà residue dell’acciaio, questo fenomeno sparisce. L’indice di danno cresce costantemente all’aumentare sia dello spostamento imposto sia del livello di corrosione, rappresentando in modo molto più fedele il progressivo degrado della performance sismica. Ad esempio, per il provino HC-D1, con un livello di corrosione del 20% e uno spostamento del 2%, l’indice di danno passava da 0.75 (collasso imminente) nel caso senza riduzione di allungamento a 1.00 (collasso) nel caso con riduzione di allungamento. Differenze simili e significative sono state osservate anche per HC-D2.

Conclusioni e Sguardo al Futuro

Cosa ci portiamo a casa da questa ricerca?

• Abbiamo sviluppato una tecnica analitica affidabile per prevedere il comportamento sismico di pilastri cavi in CA deteriorati.
• Abbiamo dimostrato che considerare la riduzione dell’allungamento delle armature corrose è fondamentale per una valutazione accurata del danno e della performance sismica, eliminando artefatti come il fenomeno di inversione dell’indice di danno.
• Il nostro indice di danno esteso è uno strumento potente per quantificare il danno e può essere applicato nella progettazione basata sulle prestazioni (performance-based design).
• Questa metodologia offre un’alternativa analitica valida e più economica rispetto ai soli test sperimentali, utile per valutare ponti esistenti e pianificare interventi di manutenzione o adeguamento sismico.

Certo, la ricerca non si ferma qui. Vogliamo investigare ancora più a fondo l’interazione tra aderenza acciaio-calcestruzzo e corrosione (considerando anche quella localizzata, o *pitting*), includere altri fattori ambientali come i cicli di gelo-disgelo ed eseguire analisi di sensibilità più ampie. L’obiettivo finale è fornire strumenti sempre più precisi per garantire la sicurezza e la durabilità delle nostre preziose infrastrutture. È un lavoro complesso, ma sapere che contribuisce a rendere i nostri viaggi più sicuri è una motivazione fortissima!

Fonte: Springer