Riabilitazione strutturale dei viadotti Fridizza con il modello BIM

La riabilitazione strutturale delle infrastrutture stradali sospese esistenti è un tema caldo in tutto il mondo. Spesso è possibile effettuare interventi di manutenzione per adeguare queste strutture agli standard di sicurezza vigenti, ma l’intervento dipende dal livello di conoscenza che si può acquisire sull’infrastruttura in questione. Con questi dati è possibile creare un modello numerico, per analizzare il comportamento delle strutture e determinarne le sollecitazioni mentre, il modello geometrico consente lo studio di connessioni, nodi ed elementi strutturali. Per illustrare ciò, l'ingegnere Francesco Fanigliulo dello Studio di Ingegneria delle Strutture di Cosenza condivide le sue intuizioni sull'utilizzo di un modello BIM 3D (Building Information Modeling), sviluppato con ALLPLAN e ALLPLAN Bridge, per la riabilitazione completa di due viadotti in sull'autostrada A2 del Mediterraneo in Italia.

Sull’autostrada A2 del Mediterraneo si trova un insieme cruciale di infrastrutture: i viadotti Friddizza. Costituiti da due strutture parallele costruite circa 50 anni fa, il Friddizza Nord e il Friddizza Sud, questi viadotti costituiscono una parte fondamentale della rete autostradale, facilitando il flusso continuo del traffico su diverse quote e profili longitudinali.

Il viadotto Friddizza Nord si estende per 627 metri con 19 campate, caratterizzata da impalcati appoggiati tra spalle e pila, per gli impalcati di estremità, e tra le pile, per gli impalcati interni. Questo design consente uno schema strutturale per ogni impalcato con del grigliato in semplice appoggio. Il viadotto Friddizza Sud, invece, seppure simile per costruzione e geometria, comprende 8 campate e si estende per 264 metri. Nonostante la differenza nel numero di campate e nell’altezza delle pile, entrambi i viadotti condividono un principio costruttivo che consente un approccio unificato all’analisi delle sollecitazioni e ai controlli di integrità strutturale.

Al centro di entrambe le strutture ci sono pilastri a stelo con sezioni multiconnesse, impalcati di supporto con una luce di 33 metri e una luce netta delle travi di 32,5 metri. Gli impalcati presentano una sezione trasversale a pettine, con travi parallele e traversi disposti ortogonalmente che distribuiscono i carichi e attenuano le sollecitazioni torsionali sulle travi. Questa disposizione è fondamentale per mantenere la salute strutturale dei viadotti, con una larghezza dell'impalcato di 9,3 metri, uno spessore della soletta di 20 cm e un'interasse tra le travi di 2,4 metri, garantendo robustezza e resilienza.

La riabilitazione di queste strutture iconiche è stata intrapresa nell’ambito di un progetto globale da 16,74 milioni di euro finanziato dal programma RELEVANT del Connecting Europe Facility (CEF). Questa iniziativa mira non solo al risanamento statico ma anche al miglioramento sismico per accogliere sia veicoli ordinari che trasporti eccezionali nel rispetto del Regolamento UE 2021/1328. Questo regolamento dettaglia i requisiti per le infrastrutture di trasporto civile/militare a duplice uso, evidenziando l'importanza del progetto sia per la mobilità civile che per quella strategica.

Uno studio accurato dell'opera è stato effettuato utilizzando ALLPLAN e ALLPLAN Bridge, che hanno permesso di studiare l'intero modello del viadotto tenendo conto delle reali geometrie rilevate. Sono stati realizzati due modelli numerici per effettuare analisi strutturali statiche e sismiche:

• Un modello numerico descrittivo del sistema impalcato-pila, insieme ad un modello FEM locale per lo studio delle sollecitazioni di entrambi i viadotti utilizzando il software LUSAS;
  
  
• Un modello numerico globale per ciascun viadotto, uno per Friddizza Nord e uno per Friddizza Sud.

Sono stati eseguiti modelli di calcolo per studiare le sollecitazioni indotte dai carichi agenti, con condizioni al contorno compatibili con quelle riscontrate in sito. Sono state inoltre effettuate verifiche locali sulla base delle prove e delle indagini effettuate e delle ipotesi formulate.

L'attenzione iniziale si è concentrata sulla gestione delle significative variazioni di tensione nelle armature precompresse del viadotto, che hanno mostrato un calo medio del 50%, superiore alle norme previste. Ciò ha portato ad uno stress progettuale ricalcolato, significativamente ridotto rispetto alle stime iniziali. Inoltre, le discrepanze tra l'altezza effettiva e quella prevista delle pile hanno reso necessaria una rivalutazione della capacità portante delle fondazioni, che è stata ulteriormente complicata dalle inaspettate interazioni terreno-struttura dovute ai diversi incastri dei pilastri. Attraverso valutazioni dettagliate dei materiali e indagini strutturali, comprese estrazioni di nuclei e indagini geoelettriche, il team ha acquisito informazioni sull'integrità strutturale e sulle condizioni dei materiali, che hanno informato il loro approccio volto a rafforzare la stabilità statica del viadotto.

A seguito del ripristino statico, l'attenzione si è spostata sul miglioramento della resistenza del viadotto alle attività sismiche. Basandosi sulle fondamenta di precedenti installazioni di smorzamento sismico, è stata utilizzata una modellazione numerica avanzata per valutare accuratamente la vulnerabilità sismica della struttura. Ciò ha coinvolto sia i modelli locali che quelli globali per analizzare le distribuzioni delle sollecitazioni e la risposta sismica. Un nuovo intervento ha proposto l’uso di una catena cinematica esterna per mitigare le forze sismiche orizzontali sui pilastri, riducendo efficacemente lo stress nei punti critici e garantendo prestazioni sismiche più robuste. Questo approccio in due fasi, sfruttando software all'avanguardia e soluzioni ingegneristiche innovative, mirava non solo a ripristinare ma a migliorare significativamente la resilienza del viadotto alle sfide sia statiche che sismiche.

La modalità di intervento scelta ha previsto l'uso innovativo di polimeri rinforzati con fibra di carbonio (CFRP), malte ad alte prestazioni e cuscinetti multidirezionali ad alto scorrimento. La strategia di riabilitazione strutturale utilizza il CFRP in due forme: come lamine applicate all'intradosso delle travi per rafforzare la resistenza alla flessione e come avvolgimenti di tessuto alle estremità delle travi per migliorare la capacità di taglio. Questo approccio garantisce che gli elementi strutturali siano fortificati contro le sollecitazioni future preservando l'integrità della costruzione originale.

Per le pile, componente fondamentale del sistema di sostegno del viadotto, il progetto di risanamento prevede l'introduzione di malte ad alte prestazioni. Questi materiali sono selezionati per il loro duplice vantaggio: i loro profili sottili mantengono le caratteristiche di risposta sismica della struttura senza aggiungere massa significativa, e la loro composizione avanzata offre un rinforzo superiore. Questo metodo affronta efficacemente il degrado dei rinforzi esistenti e si integra perfettamente con l'uso di miglioramenti in fibra di carbonio per fornire un miglioramento completo della resilienza dei pilastri.

Per il miglioramento sismico sono stati installati appoggi multidirezionali ad alto scorrimento sulla sommità dei pilastri, che garantiscono l'assorbimento delle deformazioni dovute alla temperatura e alle azioni orizzontali. Le forze istantanee, come le forze sismiche, frenanti e del vento, vengono trasmesse agli elementi strutturali rinforzati a questo scopo o dove l'azione induce meno stress.

Integrando queste soluzioni innovative, il progetto non solo risponde alle esigenze immediate dei viadotti, ma stabilisce anche un punto di riferimento per i futuri sforzi di riabilitazione, garantendo che i viadotti Friddizza continuino a fungere da arterie vitali sull'Autostrada del Mediterraneo A2 per gli anni a venire.