Analisi di un ponte metallico a cento anni dalla sua costruzione

Il presente lavoro di Tesi affronta lo studio dei ponti ferroviari realizzati in metallo, a cento o più anni dalla loro costruzione. I problemi riguardanti la sicurezza di queste opere sono oggigiorno sede di interesse per diversi motivi: (i) in primo luogo un aumento generalizzato del carico ferroviario, che sottopone questi ponti esistenti a carichi superiori rispetto a quelli previsti dal progetto e dalle Normative; (ii) in secondo luogo, queste strutture presentano problemi legati al degrado del materiale, che determina un decadimento della loro resistenza e della capacità portante della struttura; (iii) il problema dell'adeguamento sismico, che sta assumendo un carattere dominante per tutte le opere d'arte della rete viaria. Il lavoro inizia quindi con una ricostruzione dell'evoluzione delle tipologie di ponti che hanno caratterizzato e caratterizzano ancora oggi la rete ferroviaria italiana. In particolare, tra la fine dell'Ottocento e l'inizio del Novecento vennero realizzati i più importanti ponti ferroviari a travatura reticolare, per i quali il materiale di riferimento principale per gli elementi costruttivi era il ferro agglomerato o colato, di cui non si conoscevano i limiti operativi. Sfruttando le conoscenze di oggi, questa Tesi studia pertanto un ponte ferroviario esistente appartenente a quella che è stata da molti definita come un "capolavoro dell'ingegneria civile immersa nella natura": la Ferrovia Vigezzina-Centovalli, che collega la stazione internazionale di Domodossola, sulla linea del Sempione, alla cittadina svizzera di Locarno, sul Lago Maggiore. Inizialmente, dopo una breve descrizione delle caratteristiche della struttura, i risultati della prova di collaudo eseguita sulla struttura sono confrontati con quelli di una analisi elastica lineare, per fornire un primo giudizio sulle prestazioni dell'opera e sullo stato degli elementi che la compongono. Successivamente viene presentata l'Analisi Limite del ponte mediante i Teoremi fondamentali del Calcolo a Rottura che consentono di individuare il carico ultimo, la distribuzione delle sollecitazioni a collasso incipiente, nonché un meccanismo di collasso che ne definisca le modalità. L'approccio appena descritto è stato implementato in uno specifico codice di calcolo automatico interamente realizzato in questo lavoro. I codici sono stati validati mediante benchmarks classici disponibili in Letteratura. Interessante la scelta di studiare la struttura reticolare in due modi distinti: (1) mediante l'utilizzo di soli elementi tipo biella, per i quali l'unica componente di sollecitazione attiva risulta quella assiale; (2) mediante l'utilizzo di elementi tipo trave, per azione combinata assiale e flettente, per caratterizzare la rigidezza delle connessioni. I risultati individuano le modalità di collasso e lo stato di sfruttamento dei vari componenti rispetto alla loro capacità portante ultima, offrendo indicazioni utili per le procedure di manutenzione, ispezione e sostituzione degli elementi.

This peaper deals with the study of railway bridges made of metal, one hundred or more years after their construction.Problems concerning the safety of these works are nowadays of interest for several reasons: (i) first of all a general increase in railway load, subjecting these existing bridges to loads higher than those required by the project and the regulations;(ii) secondly, these structures present problems related to material degradation, which results in a decay of their resistance and bearing capacity of the structure; (iii) the problem of seismic adaptation, which is taking on a dominant character for all the works of art of the road network. The work therefore begins with a reconstruction of the evolution of the types of bridges that have characterized and still characterize the Italian railway network. In particular, between the end of the 19th century and the beginning of the 20th century the most important cross-beamed railway bridges were built, for which the main reference material for the building elements was agglomerated or cast iron, the operating limits of which were unknown. Taking advantage of today’s knowledge, this Tesi studies therefore an existing railway bridge belonging to what has been defined by many as a "masterpiece of civil engineering immersed in nature": the Railway vigezzina-Centovalli, which connects the domodossola international station, on the Simplon line, to the Swiss town of Locarno, on Lake Maggiore. Initially, after a brief description of the characteristics of the structure, the results of the test carried out on the structure are compared with those of a linear elastic analysis, to give an initial assessment of the performance of the work and the state of the elements that compose it. Subsequently, the Limit Analysis of the bridge is presented using the fundamental theorems of the Broken Calculation that allow to identify the ultimate load, the distribution of the stresses to incipient collapse, as well as a collapse mechanism to define the modalities. The approach just described has been implemented in a specific automatic code of calculation entirely realized in this job. The codes have been validated using classical benchmarks available in Literature. Interesting the choice to study the reticular structure in two distinct ways: (1) using only elements like connecting rod, for which the only active stress component is the axial one; (2) using beam-type elements for combined axial and bending action to characterize the stiffness of the connections. The results identify the method of collapse and the state of operation of the various components in relation to their ultimate bearing capacity, providing useful guidance for the procedures of maintenance, inspection and replacement of the elements.