Valutazione delle prestazioni di retrofit delle spalle integrali per ponti in acciaio soggetti a carichi termici

Ponti a spalla integrale, criticità termiche e strategie di riparazione: il caso studio del Kansas

I ponti a spalla integrale rappresentano una soluzione diffusa per eliminare i giunti di dilatazione tra impalcato e spalle, riducendo i costi di manutenzione ma introducendo vincoli termici significativi. Quando una sola delle due spalle viene resa integrale, l’intera dilatazione longitudinale si concentra sull’estremità rimanente, sovraccaricando gli appoggi e gli elementi in calcestruzzo non progettati per tale condizione. Il problema è stato oggetto di una recente indagine tecnica pubblicata su Infrastructures (Vol. 11, Pages 163), che ha analizzato il comportamento di due ponti continui in acciaio a tre campate situati sull’Interstate 635 a Kansas City, Kansas, danneggiati dopo una conversione unilaterale all’integrale avvenuta nel 2005.

Modellazione agli elementi finiti e carichi di progetto

Per valutare lo stato di sollecitazione e testare le possibili soluzioni di riparazione, i ricercatori hanno sviluppato un modello numerico bidimensionale. Il modello ha integrato elementi compositi per l’impalcato, elementi shell per le spalle, elementi beam per i pali di fondazione e l’interazione terreno-struttura mediante molle laterali distribuite. L’analisi è stata condotta combinando carichi permanenti, mobili, di frenatura e termici, secondo le combinazioni previste dalle specifiche AASHTO LRFD. I risultati hanno evidenziato valori critici sia per i momenti flettenti che per le tensioni nei pali.

Momenti e tensioni oltre i limiti ammissibili

La conversione completa all’integrale genera momenti termici di vincolo nell’ordine di 813,5 kN·m (600 kip·ft) alle spalle. Le tensioni nei pali di fondazione raggiungono 383,9 MPa (55,68 ksi) in combinazione di esercizio (Service I) e 497,4 MPa (72,14 ksi) in combinazione ultima (Strength I), valori che superano le soglie ammissibili per i materiali impiegati. Il dato evidenzia come l’intervento unilaterale abbia prodotto una condizione di sovraccarico strutturale diffuso, con potenziale progressione del danno nel tempo.

Due strategie di retrofit a confronto

Lo studio ha valutato due opzioni riparative per ripristinare la funzionalità dei ponti. La prima consiste nella conversione completa di entrambe le spalle a sistema integrale, soluzione che però impone le tensioni sopra indicate sui pali, richiedendo interventi di rinforzo o sostituzione delle fondazioni. La seconda opzione prevede l’installazione di cuscinetti elastomerici all’estremità non integrale, lasciando invariata la fondazione esistente.

I risultati dell’analisi hanno dimostrato che i cuscinetti elastomerici soddisfano tutti i limiti tensionali previsti dalle combinazioni di carico senza necessità di modifiche alle fondazioni. Per questa ragione, i ricercatori raccomandano l’adozione dei cuscinetti elastomerici come strategia riparativa pratica ed efficace per ponti in condizioni analoghe, in particolare quando la conversione unilaterale ha già prodotto danni progressivi agli appoggi e agli elementi in calcestruzzo della spalla non integrale.

La ricerca fornisce un contributo operativo per i progettisti chiamati a intervenire su ponti esistenti sottoposti a modifiche del vincolo di spalla, offrendo parametri di verifica e criteri di scelta tra soluzioni alternative basati su dati numerici e modelli validati secondo standard AASHTO LRFD.