Adeguamento con compositi fibro-rinforzati per l'installazione di nuove barriere sicurvia sugli impalcati da ponte

  
 1. Premesse 
 
2 
più efficienti dispositivi di protezione. Appare evidente che, nel caso dei viadotti, 
realizzare tali dispositivi comporta spesso una necessità di adeguamento delle 
strutture che li devono ospitare, soggette alle sollecitazioni più ingenti che i nuovi 
piedritti sono in grado di trasmettere all’impalcato. 
Scopo del presente lavoro di tesi è proprio quello di vagliare la possibilità di 
realizzare il suddetto adeguamento mediante l’impiego di tecniche innovative, che 
si avvalgono di materiali compositi fibro-rinforzati: l’intento è quello di ottenere 
quelle caratteristiche di rapidità d’esecuzione dell’intervento, durevolezza e 
disturbo contenuto alla circolazione che in simili casi  risultano assolutamente 
essenziali, sicuramente più importanti dei costi diretti sostenuti per la messa in 
opera delle modifiche richieste. 
1.2 Il problema pratico della protezione veicolare 
Le attuali normative che regolano le caratteristiche geometriche e  meccaniche dei 
sicurvia da installare sulla rete stradale sono basate su due idee di fondo: in primo 
luogo le barriere devono essere in grado di dissipare nell’urto una quantità 
sufficiente di energia cinetica; in seconda istanza esse devono fare sì che le 
accelerazioni subite dagli occupanti del veicolo in svio non superino una certa 
entità. 
Non rientra fra gli obiettivi del presente lavoro quello di entrare nel merito 
della trattazione dei fenomeni più o meno complessi che hanno portato all’attuale 
impostazione normativa: nel computo delle azioni da portare in conto ci si è quindi 
basati esclusivamente sulle capacità di prestazione dei singoli montanti delle 
barriere installate, che nei casi qui considerati sono costituiti da profilati in acciaio 
HEB 120. 
 Le sollecitazioni subite dal cordolo e dalla soletta per effetto di un impatto, 
infatti, non potranno mai superare quelle massime che i piedritti sono in grado di 
trasferire, ovvero quelle che ne determinano lo snervamento e la conseguente 
formazione di cerniere plastiche. 
  
 1. Premesse 
 
3 
1.3 Confronto tra gli interventi tradizionali e quelli con FRP 
Le sollecitazioni indotte sull’impalcato di un viadotto dall’impatto di un veicolo 
sulle barriere stradali possono determinare due tipi di crisi a livello strutturale : 
• rottura a tenso-flessione della soletta a sbalzo; 
• collasso per punzonamento localizzato del cordolo, nella zona attorno al 
piedritto. 
Possibili interventi di rinforzo tradizionale sono riassunti nei punti che 
seguono: 
• sopralzo e/o sostituzione del cordolo esistente con uno nuovo; 
• demolizione parziale del cordolo e della soletta, getto integrativo di 
conglomerato con incremento di armatura; 
• incremento delle pile, varo di una nuova struttura accanto a quella esistente 
con la costruzione del nuovo cordolo e/o marciapiede1. 
E’ ovvio che la scelta fra le predette classi di intervento dipende dalla 
situazione particolare che ci si trova ad affrontare; in ogni caso tuttavia, le 
lavorazioni elencate sono molto “invasive”, nel senso che obbligano alla chiusura 
permanente della corsia esterna, se non dell’intero impalcato; esse inoltre 
modificano nella maggior parte dei casi i pesi strutturali e richiedono verifiche 
statiche delle travi e delle pile di appoggio. 
La recente disponibilità di materiali compositi fibrosi, contraddistinti da 
elevata resistenza a trazione, leggerezza e durabilità, rende possibile l’attuazione di 
tipologie di intervento “intermedie”, utili al fine di risolvere alcune situazioni non 
troppo complesse in modo rapido e poco invasivo. 
In definitiva, i vantaggi ottenibili realizzando gli adeguamenti in questione con 
materiali compositi piuttosto che attraverso interventi classici, possono essere 
riassunti nei seguenti punti: 
                                                 
1
 Quest’ultimo tipo di intervento viene realizzato soltanto laddove si presenta la necessità di 
allargare la piattaforma stradale, per ospitare un numero maggiore di corsie oppure per adeguare le 
dimensioni di quelle esistenti: esso, pertanto, esula dagli obiettivi del presente lavoro di tesi. 
  
 1. Premesse 
 
4 
• l’intervento con elementi in CFRP consente di limitare il disturbo al 
traffico, dal momento che richiede la chiusura di porzioni ridotte della 
piattaforma stradale per archi temporali ridotti;  
• la posa in opera del rinforzo può essere realizzata con l’ausilio di 
macchinari ed attrezzature “leggeri”, come, ad esempio, cestelli mobili 
direttamente vincolati all’impalcato del viadotto; ciò comporta una 
riduzione dei tempi e dei costi di realizzazione; 
• la scarsa invasività dell’intervento abbassa il rischio di danneggiare le parti 
esistenti, richiedendo soltanto l’apertura di fori e scanalature di ridotte 
dimensioni; 
• l’eccellente resistenza dei compositi ai fattori ambientali riduce le 
lavorazioni necessarie per garantire la durabilità dell’intervento; a tale 
riguardo è bene sottolineare che il problema della vulnerabilità dei 
compositi in CFRP al calore può essere considerato irrilevante ai fini del 
presente studio, dal momento che le ipotesi di rinforzo presentate nel 
prosieguo prevedono l’inserimento delle barre in composito all’interno di 
ingenti spessori di calcestruzzo. 
1.4 Interventi già realizzati  
L’idea di realizzare il rinforzo delle parti a sbalzo dei viadotti mediante l’uso di 
compositi in CFRP è suffragata da una serie di studi di fattibilità eseguiti negli 
ultimi anni da varie amministrazioni d’impresa, studi che già si sono concretizzati 
nell’effettiva realizzazione dell’adeguamento del Viadotto Aquila sull’Autostrada 
dei Fiori [3]. 
Proprio tale intervento è stato assunto come punto di riferimento dello studio 
qui presentato. Il problema che ha spinto all’attuazione del provvedimento, infatti, 
presenta fondamentali analogie con il tipo di situazioni che si intende affrontare: 
esso consiste infatti nel rinforzo della parte a sbalzo della soletta e dei cordoli per 
ospitare le nuove barriere stradali. 
  
 1. Premesse 
 
5 
Nel caso in parola, i progettisti si sono trovati di fronte all’esigenza di 
incrementare le capacità resistenti sia della soletta nei confronti delle sollecitazioni 
flessionali, sia del cordolo, soggetto a possibili meccanismi di rottura per 
punzonamento. 
Per quanto riguarda il primo punto, la scelta è ricaduta sull’impiego di barre in 
CFRP installate secondo la tecnica NSM, descritta più approfonditamente nel 
Capitolo 3. 
Il rinforzo a punzonamento, invece, è stato realizzato mediante l’impiego di 
tessuti a base di fibre di carbonio, posti in opera mediante incollaggio con speciali 
resine epossidiche. 
Nell’ambito del presente lavoro, è stata adottata un’ipotesi di rinforzo per la 
soletta analoga a quella descritta qui sopra; viceversa, riguardo all’incremento di 
resistenza nei confronti del punzonamento, si è preferito ricorrere a tecniche 
diverse, che si avvalgono di compositi in barre piuttosto che di tessuti. 
 I motivi di una simile scelta vanno ricercati nelle difficoltà di ancoraggio dei 
suddetti tessuti al conglomerato esistente e nella maggiore semplicità di esecuzione 
dell’adeguamento con barre: quest’ultimo infatti non prevede la rimodellazione 
delle geometrie del cordolo, che al contrario è resa necessaria dall’uso dei tessuti, 
più soggetti a danneggiamento da parte di fattori ambientali fisici e chimici, nonché 
ad eventuali carichi d’incendio. A parere di chi scrive inoltre, accanto ad un 
contenimento delle lavorazioni necessarie, la realizzazione di un rinforzo con barre 
dovrebbe garantire un comportamento del sistema globalmente più affidabile e 
meglio prevedibile, con meccanismi di potenziale collasso nel complesso più chiari 
e ben definiti. 
  
  5 Modelli preliminari FEM 
 
 
86 
5 Modelli preliminari FEM  
5.1 Introduzione 
Nel presente capitolo vengono illustrati i criteri seguiti nella messa a punto di una 
serie di modelli agli elementi finiti in grado di descrivere il comportamento del 
cordolo di un viadotto soggetto alle sollecitazioni derivanti dall’impatto di un 
automezzo sul sicurvia. Le analisi descritte nel prosieguo del capitolo hanno come 
oggetto il solo Viadotto Freghizia – vedi Capitolo 2 – fermo restando che le 
considerazioni di seguito sviluppate hanno carattere generale e possono essere 
facilmente estese ad altri casi d’interesse. 
È bene chiarire che i modelli illustrati nei prossimi paragrafi sono volti a 
selezionare, fra le possibili modalità di intervento con barre in CFRP, quelle più 
vantaggiose in termini di rapporto fra incremento di prestazioni ottenibile e 
affidabilità dell’intervento da un lato e semplicità di esecuzione dall’altro. Essi 
tuttavia, pur costituendo senza dubbio uno strumento molto più raffinato rispetto al 
metodo preliminare descritto nel Capitolo 4, sono ancora condizionati dai due 
aspetti sotto elencati: 
• leggi costitutive che non prevedono la rottura per schiacciamento del 
calcestruzzo 22; 
                                                 
22
 Questo assunto ha lo scopo di rendere più veloce la convergenza della soluzione nei modelli 
numerici, un fattore essenziale per rendere possibile l’esecuzione di prove su un numero elevato di 
configurazioni. 
  
  5 Modelli preliminari FEM 
 
 
98 
inserimento del profilato HE che sorregge la barriera nel conglomerato. Le analisi 
preliminari descritte nel Capitolo 4 hanno evidenziato l’esigenza di inserire i 
piedritti ad una profondità maggiore, un intervento che garantisce l’attivazione di 
superfici di rottura più ampie e resistenti: in questo senso i modelli descritti nel 
presente paragrafo sono stati realizzati essenzialmente per ottenere una valutazione 
indicativa sullo stato di fatto e sull’opportunità di modificare le geometrie del 
sistema per ottenere migliori prestazioni. 
 
 
Figura 5-3: deformazione (amplificata) a seguito dell’impatto. Sono rappresentate anche le 
tensioni principali di trazione e compressione. 
La Figura 5-3 mostra una immagine amplificata delle deformazioni generate 
da un impatto nel caso di assenza di rinforzo. È evidente che in questa situazione il 
meccanismo di collasso consta nell’espulsione di un cuneo di calcestruzzo a 
ridosso del montante, dal lato della carreggiata stradale. La scarsa profondità di 
ammorsamento del profilato metallico favorisce l’attivarsi di superfici di rottura 
che, a partire dalla base del montante stesso, terminano sulla parte superiore del 
cordolo. 
  
  5 Modelli preliminari FEM 
 
 
101 
 
 
Figura 5-7: ipotesi di rinforzo con barre inclinate a 45 gradi disposte ai lati del montante 
Anche l’idea di avvalersi di barre di rinforzo inclinate, scaturita dall’analisi 
delle direzioni principali di tensione nella soluzione in campo elastico lineare, non 
dà risultati sensibilmente migliori. 
Resta da analizzare il caso di rinforzo realizzato con barre di carbonio in 
direzione orizzontale, disposte ortogonalmente all’asse della strada, accoppiate 
all’introduzione di una piastra metallica esterna con la duplice funzione di garantire 
l’ancoraggio delle barre in carbonio e costituire un ostacolo efficace all’espulsione 
del cuneo di calcestruzzo – vedi Figura 5-8. Tale metodo, che potrebbe apparire 
estremamente efficiente, non sortisce in questo caso effetti positivi apprezzabili. 
Ciò è dovuto, come risulta chiaro dalle immagini allegate, alla geometria del 
sistema, che determina l’instaurarsi di superfici di frattura quasi verticali e dunque 
difficilmente contrastabili nel modo proposto. 
 
Barre in CFRP 
  
  5 Modelli preliminari FEM 
 
 
111 
 
 
Figura 5-21: particolare delle deformazioni indotte nel caso di rinforzo con barre verticali  
L’ampia casistica analizzata ha permesso di mettere in luce alcuni aspetti: 
• in primo luogo l’azione esplicata da barre di rinforzo orizzontali è 
sensibilmente più efficace di quella ottenuta con barre oblique, sia inclinate 
a 45 gradi sia a 30 gradi; 
• tale azione viene rafforzata in modo piuttosto deciso dall’adozione di una 
piastra d’acciaio (eventualmente sagomata come nella Figura 5-14) disposta 
sulla parete verticale del cordolo dal lato della carreggiata stradale: 
evidentemente le potenziali superfici di frattura e scorrimento del cuneo 
soggetto a punzonamento hanno direzione meno inclinata rispetto al caso 
analizzato nel paragrafo precedente; 
• non risulta invece particolarmente efficace il metodo che si avvale di piastre 
sagomate disposte sulle due facce superiore ed inferiore dell’insieme 
soletta/cordolo: il guadagno che si ottiene in termini di resistenza 
introducendo un valido contrasto allo scorrimento in direzione verticale non 
Barre in acciaio 
Barre in CFRP 
  
 6 Sperimentazione 
 
 
126 
 
Figura 6-1: telaio utilizzato per le prove di pull-out 
  
 6 Sperimentazione 
 
 
127 
 
 
 
 
Foto 6-1: telaio usato per le prove di pull-out. 
  
 6 Sperimentazione 
 
 
128 
 
Figura 6-2: schema delle prove di pull-out 
  
 6 Sperimentazione 
 
 
135 
riguardo all’aderenza fra barre in CFRP e resina; tali dati costituiscono una base 
essenziale per valutare l’opportunità di realizzare delle vere e proprie teste 
d’ancoraggio, attraverso l’introduzione di corpi in resina all’interno del 
conglomerato preesistente.  
I provini “B1” sono costituiti da un tubo cilindrico realizzato in lamierino 
metallico di 5 mm di spessore e diametro interno 100 mm. Il tubo è riempito con la 
pasta Concresive 1420 ed in corrispondenza dell’asse è disposta una barra di 
carbonio Leonardo avente diametro 10 mm. 
 
Figura 6-4: provini di tipo "B1" 
  
 6 Sperimentazione 
 
 
142 
CFRP, con l’interposizione di un semplice nastro biadesivo. Proprio per ottenere 
una simile condizione, viste anche le dimensioni non trascurabili del trasduttore, è 
stato necessario realizzare un ulteriore piccolo telaio, costituito da una lamiera 
piegata e forata, in modo da poter alloggiare l’apparato di misura in condizioni di 
adeguata stabilità sulla faccia superiore dei vari provini testati. 
 
 
L’applicazione delle azioni di carico è stata effettuata utilizzando il sistema di 
prova in modalità a spostamenti impressi, con una velocità di scorrimento della 
traversa mobile pari a 0,1 mm/s; la lettura della relativa forza si è fatta direttamente 
alla cella di carico della macchina di trazione, dato che la configurazione dei test in 
Foto 6-10: (a) trasduttore resistivo impiegato per la misura degli scorrimenti relativi, 
inserito nel telaio di supporto; (b) lo stesso apparato posizionato sulla faccia superiore di 
un provino 
(a) (b) 
  
 6 Sperimentazione 
 
 
147 
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
-5 0 5 10 15 20 25
scorrimento [mm]
fo
rz
a 
[K
N]
Provino 1
Provino 2
Provino 3
Provino 4
 
Grafico 6-1: diagramma forza/scorrimento - provini "A1" 
 
-1
0
1
2
3
4
5
6
-5 0 5 10 15 20
scorrimento [mm]
t
e
n
si
o
n
e 
[M
Pa
]
Provino 1
Provino 2
Provino 3
Provino 4
 
Grafico 6-2: diagramma tensione/scorrimento – provini “A1”