Displacement-based simplified approaches for seismic design and vulnerability assessment of RC bridges

I metodi semplificati di verifica sismica, che utilizzano sistemi equivalenti ad un grado di libertà per la predizione della risposta, hanno avuto larga diffusione nello scorso decennio, non solo per il progetto di nuove opere ma soprattutto in relazione alla valutazione del comportamento strutturale dell’esistente. Parallelamente, con l’affermazione di approcci alla progettazione basati su criteri di performance, si è consolidato il concetto che il parametro più adeguato di misura della risposta sismica è rappresentato dallo spostamento, e il raggiungimento dello spostamento target in relazione ai diversi stati limite rappresenta il vero obiettivo della procedura di verifica. Le metodologie semplificate di progetto e valutazione basate sugli spostamenti (Displacement-Based), tengono insieme questi due aspetti, basandosi nella formulazione corrente su un sistema equivalente lineare ad un grado di libertà rappresentativo del sistema non lineare reale, e utilizzando come parametro di controllo della procedura lo spostamento limite accettabile per quel dato sistema strutturale. Per quanto riguarda gli aspetti del progetto di nuove strutture, tali metodologie hanno ormai raggiunto un grado di formalizzazione pressoché completo, con la pubblicazione in tempi molto recenti della proposta finale di un Model Code (Settembre 2012) per il loro recepimento nei codici normativi. Restano tuttavia oggetto di ricerca e sperimentazione gli aspetti legati alla calibrazione del metodo, in relazione alla rappresentatività del sistema equivalente lineare ad un grado di libertà, legata alle caratteristiche di smorzamento viscoso equivalente e al profilo di spostamento target da assumere per le diverse tipologie di strutture. Per quanto riguarda il tema della valutazione delle strutture esistenti, lo sviluppo di approcci agli spostamenti rappresenta lo stato dell’arte della ricerca in quest’ambito, avendo la taratura del metodo riguardato sinora sostanzialmente le sole nuove strutture. Le problematiche specifiche dei metodi di valutazione riguardano la necessità di estendere la previsione dei possibili meccanismi globali di rottura per crisi di tipo fragile degli elementi, che possono essere del tutto dissimili da quelli delle nuove strutture duttili progettate secondo i criteri del capacity design, e l’inclusione degli effetti locali dovuti a fenomeni di danneggiamento per crisi dei nodi non adeguatamente confinati. E’ di attualità inoltre l’applicazione dei metodi di valutazione basati sugli spostamenti nelle analisi di rischio sismico a larga scala, in molti studi sinora basate sulle metodologie di analisi statica non lineare, che presentano molti aspetti comuni ai metodi displacement-based. In questo contesto si inserisce il lavoro di ricerca sulle strutture da ponte, che si focalizza nella prima parte sull’aspetto dell’affidabilità dei metodi di progetto per le nuove opere (Displacement-Based Design) e nella seconda sulle procedure di valutazione dell’esistente (Dispalcement-Based Assessment) con metodi deterministici e stime in ambito probabilistico della vulnerabilità sismica. Per quanto riguarda il tema del design, un primo studio affronta la valutazione dell’errore del metodo semplificato DDBD per strutture ad un grado di libertà, individuando come principale fonti di approssimazione del metodo la formulazione dello smorzamento viscoso per il sistema 1gdl lineare equivalente, e la taratura del fattore di riduzione dello spettro elastico in spostamento. Sulla base di un’estesa analisi parametrica su un campione di sistemi SDOF, progettati con il metodo DDBD e verificati con analisi dinamiche non lineari in time history, si è pervenuti alla determinazione di un abaco semplificato e alla stima dell’errore per sistemi reali, rappresentati da pile da ponte in c.a. per impalcati in semplice appoggio. Un secondo lavoro sulle procedure di progetto riguarda la risposta sismica in direzione trasversale dei ponti continui a travata, e la valutazione dell’ attuale procedura iterativa, in relazione alla regolarità strutturale. La predizione della risposta trasversale con un approccio Displacement-Based presenta alcuni aspetti critici legati alla rappresentatività del sistema equivalente 1gdl rispetto al sistema mgdl di partenza, e in particolate alla difficoltà di una corretta stima del profilo di spostamento di progetto per ponti irregolari. La procedura corrente viene comparata con una procedura proposta (non iterativa) che utilizza in modo diretto l’output del metodo DBD in termini di stima delle rigidezze della struttura per effettuare un’analisi spettrale con rigidezze effettive, e che consente di combinare l’effetto dei modi superiori nella risposta. Per quanto attiene al metodo di valutazione dell’esistente, l’interesse specifico dell’utilizzo di procedure semplificate affidabili ed efficienti dal punto di vista computazionale rispetto a metodi più complessi quali analisi dinamiche non lineari nel dominio del tempo, risulta del tutto evidente con analisi probabilistiche per stime di rischio a larga scala. Il quest’ambito il lavoro si è incentrato sulla valutazione di vulnerabilità sismica di opere da ponte con i metodi agli spostamenti, utilizzando come caso studio di riferimento il sistema della rete stradale della regione Veneto, che consta di circa 2700km di strade provinciali e regionali in cui si inseriscono 495 opere da ponte considerate strategiche, collocate prevalentemente in zona sismica 2 e 3. Un’ approfondita analisi statistica preliminare è stato svolta nell’ambito del lavoro di tesi per la determinazione delle caratteristiche dello stock di ponti oggetto dell’indagine: il database disponibile raccoglie i dati dei ponti oggetto di verifiche sismiche svolte nel periodo 2007-2010 dall’Università di Padova per gli enti gestori della rete, e della campagna di indagini strutturali svolta a supporto. A partire da alcuni dati di anagrafica generale e utilizzando le informazioni disponibili su ciascun manufatto, è stato possibile individuare con specifico riferimento ai ponti a travata in c.a., che rappresentano il 70% circa dei manufatti dello stock, le caratteristiche geometriche, meccaniche e di armatura per classi omogenee di strutture, ottenendo un inventario di dati con un livello di dettaglio molto più approfondito dei comuni database utilizzati per le analisi di rischio a larga scala. Questo lavoro preparatorio ha rappresentato la base di dati necessari per svolgere una serie di analisi parametriche per la caratterizzazione delle curve di capacità dei ponti esistenti in c.a., che rappresentano il primo step di calcolo per la valutazione sismica con procedure semplificate agli spostamenti. Dallo studio parametrico è stato inoltre possibile calibrare con maggior precisione gli stati limite da assumere con riferimento a predefiniti livelli di danno, e ottenere una miglior taratura delle formulazioni dello smorzamento equivalente per le pile in c.a. esistenti. La seconda parte del lavoro sulle strutture esistenti riguarda lo studio di vulnerabilità per i ponti a travata in c.a. costituenti lo stock e la successiva analisi di rischio: i metodi semplificati DBA sono stati utilizzati per la creazione di curve di fragilità per i ponti a travata in c.a per 3 prefissati livelli di danno, e l’analisi di rischio è stata ottenuta come convoluzione con le curve di pericolosità sismica fornite dalla normativa italiana vigente, ottenendo delle mappe di scenario di danno atteso a larga scala. Tali mappe costituiscono il primo esempio della mappatura estesa del rischio simico applicata alla rete infrastrutturale della Regione Veneto, con la particolarità di essere state ottenute sulla base di curve di fragilità analitiche con metodi semplificati di valutazione agli spostamenti, calibrate sulle caratteristiche specifiche di queste tipologie di ponti esistenti, che sono del tutto rappresentative dei ponti stradali realizzati in Italia dal secondo dopoguerra ad oggi. Altri studi analoghi svolti negli ultimi anni per la valutazione del rischio infrastrutturale a larga scala si sono basati su procedure consolidate quali il metodo HAZUS (RISK-UE), che non sono tarati sulle caratteristiche specifiche dei ponti italiani non essendo generalmente disponibili database per studi a larga scala con informazioni di dettaglio tali da consentire una calibrazione delle curve di fragilità come in questo studio. Un’ estensione dello studio sull’esistente è rappresentato dalla costruzione di curve di fragilità per intere classi omogenee di strutture per ponti esistenti in c.a.: tali curve sono state ottenute a partire dalle curve di fragilità analitiche calcolate per una serie di opere master scelte come rappresentative delle classi omogenee di ponti del database, utilizzando la variabilità sui range delle caratteristiche geometriche e meccaniche ottenute dall’analisi statistica del database di riferimento precedentemente descritta. Sviluppi futuri del lavoro riguardano infine l’estensione delle procedure proposte di valutazione a classi diverse di strutture rispetto ai ponti in c.a., in particolare ai ponti ad arco in muratura che rappresentano l’altra categoria rilevante di opere dello stock, per arrivare ad una definizione il più possibile completa del rischio sismico sulle opere della rete in esame e ad una taratura di curve di fragilità specifiche per queste classi di opere. Sarà inoltre possibile calibrare in modo più puntuale la definizione dell’input sismico attraverso l’utilizzo di curve di hazard ottenute da mappe di pericolosità sismica locale mediante studi di micro zonazione per le aree di interesse.