Modellazione e analisi di ponti ad arco in muratura: il caso del ponte di Bagno di Piano

La Tesi tratta della modellazione e dell'analisi di ponti ad arco in muratura. In particolare è stato studiato il caso del vecchio ponte di Bagno di Piano, sito al km 14 della S.P. 18 "Palludese" in comune di Sala Bolognese in Provincia di Bologna. L’obiettivo della Tesi di Laurea è duplice, nel senso che da un lato si cerca di risalire alle probabili cause del crollo e, dall’altra si intende mettere a punto un quadro operativo per l’analisi strutturale di ponti ad arco in muratura.

Un nuovo progetto per il ponte dell'Accademia

Questo tema è alquanto attuale per la città di Venezia e soprattutto per quanto riguarda proprio il ponte dell’Accademia che, nato come provvisorio, è rimasto tale fino ai giorni nostri. Per comprendere al meglio la natura di questi manufatti, ho analizzato i quattro ponti sul Canal Grande, partendo dal ponte di Rialto, poi Scalzi e Accademia e infine il ponte della Costituzione. L’analisi è stata compiuta sia dal punto di vista storico che costruttivo, ho esaminato tutte le vicende storiche che hanno caratterizzato la loro “immagine” attuale e infine ho deciso di scomporli e studiare ogni parte, partendo dalle fondazioni fino ad arrivare ai parapetti. Oltre a questa minuziosa analisi, abbiamo affrontato il tema dei materiali che compongono questi quattro manufatti e cioè: la pietra, il legno, l’acciaio e il cemento armato. Si è rilevato importante non studiare solo le caratteristiche fisiche e meccaniche, ma anche la loro evoluzione nel tempo e nella storia dell’architettura dei ponti. Queste analisi sono state importanti per realizzare un progetto che non rompesse il filo conduttore che li lega e cioè che sono tutti ad arco ribassato con una freccia sempre minore con l’aumento delle innovazioni tecnologiche. Il progetto, quindi, si evoluto mano a mano che le analisi venivano compiute e in base al bando per il ponte dell’Accademia del comune di Venezia, bandito nel giugno del 2009. Il bando è stato il punto cardine che ha fatto da perno al progetto, delineando i punti fondamentali da seguire e da sviluppare. La documentazione relativa al bando è stata sufficiente per iniziare uno studio approfondito della struttura precedente per comprenderla in tutte le sue parti. Anche l’analisi dei progetti redatti per la Terza Mostra Internazionale dell’Architettura è stata un’occasione per approfondire e sviluppare una forma nuova e nel contempo non invasiva per la città veneta. Tutto questo ha portato alla realizzazione di un progetto che rispetta tutti i punti che il bando impone, utilizzando sia materiali innovativi che tradizionali, creando un manufatto che non stravolge l’immagine di Venezia e che finalmente offre un volto al ponte dell’Accademia che da ottant’anni continua ad avere la “fama” di ponte provvisorio.

Identificazione dei parametri meccanici del ponte metallico ferroviario a Pontelagoscuro attraverso un algoritmo di ottimizzazione di tipo evolutivo

Nel periodo storico compreso tra la seconda metà dell’Ottocento ed il primo ventennio del Novecento, un’ondata di innovazioni tecnologiche e scientifiche, unitamente all’espansione dell’industria siderurgica e la conseguente diffusione del ferro come materiale da costruzione, portarono alla realizzazione di strutture metalliche grandiose. Ciò fu reso possibile grazie ad una fervida attività di ricerca che permise la risoluzione di problematiche tecniche di assoluto rilievo, come la progettazione di grandi coperture o di ponti destinati al traffico ferroviario in grado di coprire luci sempre maggiori. In questo contesto si sviluppò il sistema della chiodatura come metodo di unione per il collegamento rigido e permanente dei vari elementi che compongono la struttura portante metallica. Ad oggi il sistema della chiodatura è stato quasi completamente sostituito dalla bullonatura di acciaio ad alta resistenza e dalla saldatura, che garantendo gli stessi standard di affidabilità e sicurezza, offrono vantaggi in termini economici e di rapidità esecutiva. Tuttavia lo studio delle unioni chiodate continua a rivestire notevole importanza in tutti quei casi in cui il progettista debba occuparsi di restauro, manutenzione o adeguamento di strutture esistenti che in molti casi continuano ad assolvere le funzioni per le quali erano state progettate. La valutazione delle strutture esistenti, in particolare i ponti, ha assunto un’importanza sempre crescente. L’incremento della mobilità e del traffico sulle infrastrutture di trasporto ha portato ad un incremento contemporaneo di carichi e velocità sui ponti. In particolare nelle ferrovie, i ponti rappresentano una parte strategica della rete ferroviaria e in molti casi, essi hanno già raggiunto i loro limiti di capacità di traffico, tanto è vero che l’età media del sessanta percento dei ponti metallici ferroviari è di un centinaio di anni. Pertanto i carichi di servizio, i cicli di sforzo accumulati a causa dei carichi da traffico e il conseguente invecchiamento delle strutture esistenti, inducono la necessità della valutazione della loro rimanente vita a fatica. In questo contesto, la valutazione delle condizioni del ponte e le conseguenti operazioni di manutenzione o sostituzione diventano indispensabili. Negli ultimi decenni sono state effettuate numerose iniziative di ricerca riguardo il comportamento a fatica dei ponti ferroviari chiodati, poiché le passate esperienze hanno mostrato che tali connessioni sono suscettibili di rotture per fatica. Da uno studio dell’ASCE Committee on Fatigue and Fracture Reliability è emerso che l’ottanta, novanta percento delle crisi nelle strutture metalliche è da relazionarsi ai fenomeni di fatica e frattura. Il danno per fatica riportato dai ponti chiodati è stato osservato principalmente sulle unioni tra elementi principali ed è causato dagli sforzi secondari, che si possono sviluppare in diverse parti delle connessioni. In realtà riguardo la valutazione della fatica sui ponti metallici chiodati, si è scoperto che giocano un ruolo importante molti fattori, anzitutto i ponti ferroviari sono soggetti a grandi variazioni delle tensioni indotte da carichi permanenti e accidentali, così come imperfezioni geometriche e inclinazioni o deviazioni di elementi strutturali comportano sforzi secondari che solitamente non vengono considerati nella valutazione del fenomeno della fatica. Vibrazioni, forze orizzontali trasversali, vincoli interni, difetti localizzati o diffusi come danni per la corrosione, rappresentano cause che concorrono al danneggiamento per fatica della struttura. Per questo motivo si studiano dei modelli agli elementi finiti (FE) che riguardino i particolari delle connessioni e che devono poi essere inseriti all’interno di un modello globale del ponte. L’identificazione degli elementi critici a fatica viene infatti solitamente svolta empiricamente, quindi è necessario che i modelli numerici di cui si dispone per analizzare la struttura nei particolari delle connessioni, così come nella sua totalità, siano il più corrispondenti possibile alla situazione reale. Ciò che ci si propone di sviluppare in questa tesi è un procedimento che consenta di affinare i modelli numerici in modo da ottenere un comportamento dinamico analogo a quello del sistema fisico reale. Si è presa in esame la seguente struttura, un ponte metallico ferroviario a binario unico sulla linea Bologna – Padova, che attraversa il fiume Po tra le località di Pontelagoscuro ed Occhiobello in provincia di Ferrara. Questo ponte fu realizzato intorno agli anni che vanno dal 1945 al 1949 e tra il 2002 e il 2006 ha subito interventi di innalzamento, ampliamento ed adeguamento nel contesto delle operazioni di potenziamento della linea ferroviaria, che hanno portato tra l’altro all’affiancamento di un nuovo ponte, anch’esso a singolo binario, per i convogli diretti nella direzione opposta. Le travate metalliche del ponte ferroviario sono costituite da travi principali a traliccio a gabbia chiusa, con uno schema statico di travi semplicemente appoggiate; tutte le aste delle travi reticolari sono formate da profilati metallici in composizione chiodata. In particolare si è rivolta l’attenzione verso una delle travate centrali, della quale si intende affrontare un’analisi numerica con caratterizzazione dinamica del modello agli Elementi Finiti (FEM), in modo da conoscerne lo specifico comportamento strutturale. Ad oggi infatti l’analisi strutturale si basa prevalentemente sulla previsione del comportamento delle strutture tramite modelli matematici basati su procedimenti risolutivi generali, primo fra tutti il Metodo agli Elementi Finiti. Tuttavia i risultati derivanti dal modello numerico possono discostarsi dal reale comportamento della struttura, proprio a causa delle ipotesi poste alla base della modellazione. Difficilmente infatti si ha la possibilità di riscontrare se le ipotesi assunte nel calcolo della struttura corrispondano effettivamente alla situazione reale, tanto più se come nella struttura in esame si tratta di una costruzione datata e della quale si hanno poche informazioni circa i dettagli relativi alla costruzione, considerando inoltre che, come già anticipato, sforzi secondari e altri fattori vengono trascurati nella valutazione del fenomeno della fatica. Nel seguito si prenderanno in esame le ipotesi su masse strutturali, rigidezze dei vincoli e momento d’inerzia delle aste di parete, grandezze che caratterizzano in particolare il comportamento dinamico della struttura; per questo sarebbe ancora più difficilmente verificabile se tali ipotesi corrispondano effettivamente alla costruzione reale. Da queste problematiche nasce l’esigenza di affinare il modello numerico agli Elementi Finiti, identificando a posteriori quei parametri meccanici ritenuti significativi per il comportamento dinamico della struttura in esame. In specifico si andrà a porre il problema di identificazione come un problema di ottimizzazione, dove i valori dei parametri meccanici vengono valutati in modo che le caratteristiche dinamiche del modello, siano il più simili possibile ai risultati ottenuti da elaborazioni sperimentali sulla struttura reale. La funzione costo è definita come la distanza tra frequenze proprie e deformate modali ottenute dalla struttura reale e dal modello matematico; questa funzione può presentare più minimi locali, ma la soluzione esatta del problema è rappresentata solo dal minimo globale. Quindi il successo del processo di ottimizzazione dipende proprio dalla definizione della funzione costo e dalla capacità dell’algoritmo di trovare il minimo globale. Per questo motivo è stato preso in considerazione per la risoluzione del problema, l’algoritmo di tipo evolutivo DE (Differential Evolution Algorithm), perché gli algoritmi genetici ed evolutivi vengono segnalati per robustezza ed efficienza, tra i metodi di ricerca globale caratterizzati dall’obiettivo di evitare la convergenza in minimi locali della funzione costo. Obiettivo della tesi infatti è l’utilizzo dell’algoritmo DE modificato con approssimazione quadratica (DE-Q), per affinare il modello numerico e quindi ottenere l’identificazione dei parametri meccanici che influenzano il comportamento dinamico di una struttura reale, il ponte ferroviario metallico a Pontelagoscuro.

Progetto per l'area della stazione di Ravenna. Un ponte fra il centro storico e la darsena di città

Il progetto nasce dall’esigenza di connettere due parti di città separate dal fascio ferroviario: ad Ovest, il centro storico consolidato e ricco di storia, ad Est la Darsena di città, quartiere dal grande potenziale che si articola attorno al tratto terminale del Canale Candiano, vera e propria arteria di collegamento tra il nucleo di Ravenna e il Mare Adriatico. Il progetto, attraverso rispettivamente un edificio ponte, che scavalca il fascio dei binari sul nodo stazione esistente, e uno spazio pubblico, in forma di giardino lineare, si prefigge di creare una connessione tra il centro storico e la Darsena, mettendo contemporaneamente a sistema diverse possibilità di scambio intermodale (stazione FS, terminal autobus, stazione marittima).

Ponte ad arco con impalcato metallico sospeso analisi sismica in presenza di dispositivi di isolamento

Il ponte oggetto di studio è costituito da un arco parabolico al quale è sospeso un impalcato metallico. Questo arco è costituito da due arcate che si generano da un'unica imposta in asse all'impalcato, divergono in corrispondenza della sua mezzeria, per confluire nuovamente in un unico punto, configurazione che risulta insolita rispetto alla norma, dove le due arcate solitamente hanno imposte distinte. Il sito dove si prevede di realizzare questo manufatto è una zona ad alta sismicità. Lo studio tratta dell'instabilità fuori dal piano dell'arco, e dei benefici derivanti da un isolamento dell'impalcato rispetto alla sottostruttura

Analisi di vulnerabilità di un ponte ferroviario ad arco in muratura

L'elaborato è sviluppato sullo studio della vulnerabilità sismica globale e locale di un ponte ad arco in muratura.

Educazione sostenibile. Progetto di riqualificazione del complesso scolastico Ponte Pietra a Cesena.

Oggetto di questa tesi è la riqualificazione energetica del complesso scolastico, formato dalla scuola materna "i Girasoli" e dalla scuola elementare "il Gelso", localizzate a Ponte Pietra, frazione di Cesena. La strategia di intervento prevede l'assunzione degli obiettivi funzionali fissati dall‟Amministrazione, ma anche una riqualificazione urbana del sito in esame e una riqualificazione architettonica delle due scuole. Per definire gli obiettivi di progetto e quindi le strategie da adottare, è stata effettuata una analisi dell'area in cui si andava ad operare e soprattutto una analisi dei due edifici in oggetto. A scala urbana, analizzando le funzioni dell'area di intervento è emerso che il lotto all‟interno del quale è inserito il polo scolastico è centrale per la frazione, ospitando infatti i principali edifici pubblici. Dall‟ analisi sono emerse diverse criticità, tra cui la localizzazione su una strada ad alto scorrimento, si è perciò previsto di inserire una "zona 30" e di riqualificare i percorsi esistenti, per garantire la massima permeabilità e valorizzare la fruizione pedonale dell'area. Per quanto concerne le funzioni, il progetto ha proposto di recuperare un edificio di quest‟area e adibirlo a spazio ricreativo costituendo un polo attrattivo che aumenti la fruizione dell‟area in ogni ora della giornata e che sia anche punto di incontro per la comunità, sia per i più piccoli sia per gli anziani. A scala architettonica, gli due edifici presentano numerosi inconvenienti. Innanzi tutto la relazione con il contesto: l‟ingresso alle due scuole risulta infatti pericoloso perché localizzato sulla strada a scorrimento veloce, e inoltre scomodo perché servito da un insufficiente parcheggio. All‟interno degli edifici,la disposizione degli spazi non permette di sfruttare appieno le potenzialità delle due piccole scuole, inoltre alcuni ambienti risultano sottodimensionati rispetto alla normativa vigente. Il progetto prevede una ridistribuzione interna dei vari ambienti, anche per consentire agli edifici di soddisfare le mutate esigenze dell'utenza . Per quanto concerne gli obiettivi di contenimento dei consumi energetici dell‟edificio fissati dall'Amministrazione, il fabbisogno attuale è stato verificato tramite un software certificato. Quindi si è proceduto ipotizzando diversi step di progressivo miglioramento delle prestazioni energetiche, simulate tramite il software, fino a fare raggiungere agli edifici la Classe energetica A. Ciò ha richiesto di intervenire sia sull'involucro che sul sistema impiantistico esistente. La tesi ha valutato anche alcuni elementi del quadro economico e finanziario dell'intervento, determinando il tempo di ritorno degli investimenti necessari per la riqualificazione energetica, in relazione alla riduzione dei consumi futuri che essa è permette di conseguire.