Validazione del software IperSpace Max mediante riscontro sperimentale per un Ponte Ferroviario8 min read

RISPONDENZA2

L’attendibilità dell’analisi strutturale, elaborata da un programma di calcolo, è un problema abbastanza complesso dovuto alle varie linee di pensiero che, pur mirate a dimostrare la validità del calcolo, spesso non forniscono risultati scientificamente comprovati. Perciò si è pensato di seguire, per la validazione del software IperSpace prodotto dalla Soft.Lab S.r.l. con sede in Ponte (BN), un procedimento di riscontro sperimentale mettendo a confronto le misure dirette dei cinematismi di un’opera, calcolata con il programma, sottoposta ai carichi di progetto e quelle ottenute direttamente dall’analisi della risposta in fase di progettazione.

 

Introduzione

I risultati sperimentali sono stati ottenuti dalla prova di collaudo, effettuata dal dipartimento di Strutture della Facoltà d’Ingegneria dell’ Università degli Studi della Calabria nel Luglio 2011, per un ponte ferroviario sito in Gimigliano (CZ), progettato dall’Ing. Pasquale Filice (Ingegnere Strutturista) e realizzato dall’impresa Francesco Ventura Costruzioni(CS). Per tutti i dettagli relativi all’opera si rimanda alla pagina di approfondimento dove sono riportate tutte le fasi della realizzazione, dal progetto architettonico al collaudo finale. Il tutto corredato da rilievi fotografici.

L’opera in oggetto di 43,60 m di luce complessiva è stata realizzata nei Comuni di Gimigliano (CZ) (Spalla A) e di Cicala (CZ) (Spalla B) ed è destinata a ponte ferroviario per l’attraversamento del fiume Corace. La struttura è stata concepita con l’intento principale di utilizzare un sistema costruttivo di tipo misto (cemento armato e acciaio) che potesse permettere, grazie al loro opportuno accoppiamento, la copertura di una luce notevole nella maniera più semplice e funzionale possibile, garantendo, così, la massima affidabilità per l’aspetto strutturale.

Caratteristiche principali

  • Nome dell’opera: Ponte Ferroviario – Linea Cosenza – Catanzaro
  • Ubicazione: Comuni di Gimigliano (CZ) e Cicala (CZ), Italia
  • Anno di realizzazione: 2010-2011
  • Progettista architettonico e strutturale: Ing. Pasquale Filice (Eulerian Space)
  • Committente: Ferrovie della Calabria S.r.l.

Dati dimensionali

  • Luce complessiva Lt= 43,60 m
  • Altezza complessiva Ht= 9,40 m
  • Lunghezza travata reticolare L= 27,60 m

Normativa di riferimento: D.M. 14/01/2008 (NT2008)

Descrizione dell’opera oggetto di collaudo

La struttura copre una luce complessiva di 43,60 m ed è stata suddivisa in due spalle di estremità in c.a. di lunghezza rispettivamente pari a 13,00 m e 13,10 m, a supporto di due travate principali in acciaio a doppia T di luce pari a 27,60 m, collegate da 12 traversi reticolari disposti ad interasse costante ed adagiate ai paramenti principali delle spalle tramite apparecchi d’appoggio, capaci di trasmettere gli scarichi indotti dalle azioni dei carichi (peso proprio, carichi permanenti, carichi variabili e carichi da traffico) ad entrambe le strutture di supporto e le sole azioni sismiche longitudinali ad una sola delle due opere. La struttura è completata da una soletta in c.a. di 0,28 m ad alta resistenza solidarizzata con la travata metallica tramite opportuna piolatura idonea a trasmettere gli sforzi di scorrimento tra le facce in adiacenza della sezione mista (acciaio/c.a.).

 

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Il progetto del ponte ferroviario in oggetto è relativo alla riattivazione del servizio ferroviario interrotto a seguito di eventi alluvionali (crollo per scalzamento della pila del ponte preesistente in pietra [vedi fig. 1]) ed è subordinato ad un incarico di Somma Urgenza. La struttura copre una luce complessiva di 43,60 m ed è stata suddivisa in due spalle di estremità in c.a. di lunghezza rispettivamente pari a 13,00 m e 13,10 m, a supporto di due travate principali in acciaio a doppia T (tipo FE 510) di luce pari a 27,60 m [vedi fig. 2 e 3], collegate da 12 traversi reticolari [vedi fig. 5] disposti ad interasse costante ed adagiate ai paramenti principali delle spalle tramite appoggi elastomerici [vedi fig. 6 e 9], capaci di trasmettere gli scarichi indotti dalle azioni dei carichi (peso proprio, carichi permanenti, carichi variabili e carichi da traffico) ad entrambe le strutture di supporto e le sole azioni sismiche longitudinali ad una sola delle due opere. La struttura è completata da una soletta in c.a. di 0,28 m ad alta resistenza solidarizzata con la travata metallica tramite opportuna piolatura [vedi fig. 5] idonea a trasmettere gli sforzi di scorrimento tra le facce in adiacenza della sezione mista (acciaio/c.a.).

Descrizione del modello di calcolo

Il calcolo della struttura è stato effettuato tramite un modello di analisi ad elementi finiti in accordo con la vigente normativa D.M. 14/01/2008 Cap. 5.2 Ponti Ferroviari, elaborando due diverse schematizzazioni associate la prima alla fase costruttiva dell’opera (fase di getto della soletta in c.a. non collaborante) e la seconda alla fase di esercizio, ciascuna con i rispettivi carichi ipotizzati dalla norma in oggetto. In particolare per la fase di esercizio (ponte in funzione) si è tenuto conto dei pesi propri della struttura, dei carichi permanenti, delle azioni dei carichi variabili e dei carichi da traffico (treni di carico LM71 e SW2 – treno scarico, con il relativo effetto dinamico, azione da serpeggio, frenatura e avviamento); inoltre si è considerata l’azione del vento, delle distorsioni termiche e quelle indirette associate al ritiro del calcestruzzo. Infine si sono valutate le azioni eccezionali, relative alla rottura della catenaria e al deragliamento al di sopra del ponte, con le azioni disposte in maniera eccentrica per definire la condizione più svantaggiosa ai fini del calcolo. Il calcolo è stato così elaborato per garantire il soddisfacimento delle verifiche di sicurezza nei riguardi degli stati limite ultimi (in regime sismico-SLV e non sismico) e di esercizio (in regime sismico-SLD e non sismico) e a tal scopo sono state elaborate una serie di combinazioni di carico, meglio illustrate negli elaborati allegati, atte a definire le condizioni più gravose e a dimensionare così tutti gli elementi resistenti sia della struttura in c.a. che della travata metallica reticolare.

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Per la definizione delle azioni sismiche si è provveduto a definire gli spettri di progetto per il sito di riferimento sia per sisma orizzontale che verticale, ricavando in funzione delle coordinate di longitudine e di latitudine il valore dei parametri sismici (F0, ag e Tc*), l’ampiezza dello spettro di risposta elastico, opportunamente amplificato per effetto della stratigrafia e della topografia del suolo, e ridotto del fattore di struttura q valutato per la tipologia costruttiva in esame. Una volta definito lo schema di funzionamento strutturale dell’opera si è provveduto al dimensionamento degli elementi resistenti costituenti l’ossatura portante della struttura: in particolare con l’ausilio del programma di calcolo ad elementi finiti IperSpace Max prodotto dalla Soft.Lab s.r.l. è stata elaborata la modellazione tridimensionale della struttura, tramite discretizzazione del sistema portante in un numero finito di nodi e di elementi tipo beam (per la schematizzazione delle aste in acciaio, dei setti e della platea in c.a.) [vedi fig. 4, 6, 8 e 10]. E’ stata effettuata, così, l’analisi della risposta strutturale di tipo spaziale con l’ausilio del motore di calcolo tipo fem di IperSpace, la progettazione del sistema portante prima descritto nei termini di legge e, infine, la restituzione di tutti gli esecutivi di cantiere utilizzati dall’impresa di costruzione nella fase di realizzazione dell’opera.

Collaudo del Ponte Ferroviario

La misurazione sperimentale è stata articolata in tre diverse fasi: una prova di collaudo statico, con il treno posizionato sull’impalcato del ponte secondo lo schema prestabilito (vedi Tavola1), una successiva prova dinamica con il treno che frena bruscamente in fase di attraversamento del ponte (vedi Tavola2) e una terza prova, ancora di collaudo statico, con un convoglio molto pesante di autotreni, posizionati sul ponte secondo lo schema riportato nella tavola allegata (vedi Tavola3). Per la prima prova (come per la terza) si è provveduto a rilevare il valore degli spostamenti verticali in mezzeria ottenendo come risultato una freccia massima di mm 1.395 (mm 3.830 per la terza) contro uno abbassamento calcolato pari a mm 1.569 (mm 4.160 per la terza). Ciò conferma la validità del calcolo eseguito con l’IperSpace che ha fornito una stima della misura reale amplificata per eccesso di una minima percentuale, giustificata dalla lieve discordanza tra il modello di calcolo schematizzato e quello effettivamente realizzato (più rigido a causa di imperfezioni realizzative).

Per la seconda prova, invece, è stata misurata la storia delle accelerazioni indotte sul ponte dal transito del treno in fase di frenata, mediante un’opportuna strumentazione collocata sulla soletta in posizioni predefinite: ebbene, noto l’andamento della risposta temporale in termini di accelerazioni, è stato ricavato l’andamento dei modi di vibrare principali della struttura, definendone il rispettivo valore del periodo sperimentale (vedi Tavola2). La prova di validazione del software è consistita nel confronto numerico tra i suddetti risultati sperimentali ricavati tramite misurazione dalla prova dinamica e quelli ottenuti tramite analisi dinamica modale, elaborata con l’ausilio del programma di calcolo IperSpace: pertanto dalla comparazione dei risultati si evincono lievissime discordanze tra i periodi dei modi misurati e quelli calcolati (imputabili sempre alle imperfezioni realizzative) che possono essere così sintetizzate (vedi Tabella 1 e Figura 2):

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Risultati dell prova di Collaudo Dinamica

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Risultati della prova di Collaudo Statico

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Conclusioni

In conclusione è possibile affermare, che, mediante l’analisi modale effettuata è stata individuata l’effettiva sequenza delle forme di vibrare secondo l’ordine confermato dalla prova sperimentale (modo flessionale orizzontale, modo flessionale verticale e modo torsionale) e si è avuto riscontro della validità dell’analisi strutturale elaborata, dato l’esiguo errore rilevato nella valutazione sperimentale dei periodi (errore variabile tra un minimo di 1.4% fino ad un massimo di 10.52%). Questo ci consente di poter ritenere assolutamente valida l’analisi strutturale elaborata mediante il software IperSpace, poiché pur tenendo conto della complessità della struttura realizzata sia in termini di numero di gradi di libertà che in termini di elementi finiti adottati e di tipologie di carico previste, si è trovata rispondenza tra la struttura realizzata e il modello di calcolo analizzato, a meno di un minimo errore rilevato in fase di misurazione assolutamente accettabile dal punto di vista ingegneristico (al massimo del 10% per il secondo modo di vibrare), perchè del tutto prevedibile per un’opera di tale complessità, per la quale i problemi realizzativi, la complessità di montaggio e di messa in opera giustificano pienamente le lievi discordanze con i risultati dell’analisi strutturale eseguita in fase di progettazione.

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