The Structural Engineer's Corner

Eng. Onorio Francesco Salvatore

Il crollo del Palau Bridge e l’importanza dei fenomeni di creep e ritiro – applicazioni reali 4

Written By: Francesco Salvatore Onorio - Nov• 06•10

Dopo aver dato giusto qualche cenno alle nozioni alla base del problema nell’articolo precedente, veniamo al crollo in questione. Il Palau Bridge, anche noto come Koror-Babelthuap Bridge o KR Bridge, era un ponte locato in un’isola della Repubblica di Palau, Oceano Pacifico.

Il ponte era stato progettato per collegare le due principali isole di Palau, ovvero Koror, sede della capitale, e Babelthuap, sede dell’aeroporto internazionale. Strutturalmente era stato pensato ad un’unica campata da 240 m in quanto il canale Toegel tra le due isole è profondo circa 30 m, con fondali scoscesi e con flussi di mareggiate che possono arrivare a 3 m/s. Il completamento dell’opera avvenne nel 1977.

Il crollo, in cui persero la vita due persone e rimasero ferite gravemente altre quattro, avvenne il 26 settembre del 1996, alle 17:45. Stupisce pensare che la catastrofe avvenne in una giornata in cui le condizioni meteorologiche erano buone ed in assenza di traffico.

Successivamente, vi furono nove anni di litigi tra gli ingegneri progettisti ed il governo delle Palau su quali e di chi fossero le colpe. Dopo nove anni si raggiunse un accordo, ma le modalità e le conclusioni non sono mai state riportate. Questo ha fatto si che il mondo dell’ingegneria si interessasse al problema, sebbene per breve tempo, dopodiché il tutto cadde quasi nel dimenticatoio, probabilmente per la locazione remota. Provate ad immaginare cosa sarebbe successo e quanto se ne sarebbe discusso se anziché in una remota isola delle Palau il crollo fosse avvenuto a Londra, Parigi o, peggio ancora, una qualsiasi città statunitense.

Alcune delle centinaia di isole della Repubblica di Palau.


Altra vista del ponte quando ancora integro.

Torniamo a dare altri dettagli di natura tecnica: il ponte, dopo soli 19 anni di servizio, mostrava evidentissimi deformazioni al centro della campata, superiori a 1 m, al punto che un team di ingegneri fu chiamato per investigarne le cause, redigere le conclusioni e fare gli opportuni interventi. Il problema delle deformazioni era dovuto al creep, ma fu considerato non rilevante dagli ingegneri, i quali conclusero che il ponte era sicuro e disposero una serie di interventi. Sei settimane dopo il termine delle lavorazioni, il ponte cadde.

Il ponte crollato visto in vicinanza di uno dei Main pier.

Descriviamo ora con maggiore dettaglio il ponte: la campata che attraversava il canale abbiamo detto essere unica ed avente lunghezza pari a 240 m. Tutto il ponte presentava 3 campate su quattro appoggi:

  • – due “Main pier”, gli appoggi principali locati alle estremità della campata centrale;
  • – due “End pier”, gli appoggi secondari locati alle estremità delle campate piccole.

Le campate piccole avevano luce pari a 54 m. L’estensione totale del ponte era pari a 385 m.

Più nello specifico, il progetto prevedeva una costruzione simmetrica a partire dalle rive opposte per poi congiungere le mensole di 120 m ognuna al centro del ponte stesso. L’altezza del punto centrale rispetto al livello medio del mare era di circa 20 m.

Sezione longitudinale del ponte – immagine tratta dai disegni progettuali.


Sezione longitudinale del ponte – immagine tratta da un rapporto dell’Institute of Civil Engineers, ICE.


Le mensole erano costituite da una sezione a cassone in cemento armato precompresso avente dimensioni di 7.32 m di larghezza (fissa) per un’altezza variabile fortemente man mano che dalla riva si spostava verso il centro. Basti pensare che i 13 m iniziali di parte cava si riducevano a 2.15 m al centro. Lo spessore verticale delle pareti si manteneva costantemente pari a 0.356 m, mentre lo spessore orizzontale inferiore variava da 1.10 m a 0.18. La piattaforma superiore, di larghezza costante e pari a 9.62 m, presentava spessore variabile da 0.43 a 0.28 m.

Sezione trasversale del ponte – immagine tratta dai disegni progettuali.


Sezione trasversale del ponte – immagine tratta da un rapporto dell’Institute of Civil Engineers, ICE.


I Main pier si mantenevano su supporti inclinati e dovevano resistere sia a forze orizzontali che verticali. Gli End pier dovevano invece resistere solo ad azioni verticali. La cerniera di collegamento delle due mensole trasmetteva solo taglio.

Il progetto prevedeva una forza di precompressione iniziale di 182 MN, fornita da 316 barre parallele aventi diametro pari a 32.8 mm e resistenza pari a 1034 MPa.

Il peso specifico del calcestruzzo era di 2325 kg/m³, mentre la pavimentazione stradale era costituita da uno strato di 76 mm. L’aggregato era costituito da roccia basaltica con dimensione massima degli aggregati pari a 19 mm. Il modulo di Young dell’acciaio era di 210 GPa con coefficiente di Poisson pari a 0.3.

Dopo la sua costruzione, il ponte rimase così come era per 18 anni e si manifestarono pesantemente i fenomeni di creep e ritiro, oltre che rilassamento nelle armature.

Nel 1990 la cerniera centrale si era abbassata di 1.22 m, diventati 1.32 nel 1993 e 1.39 nel 1995, con il fenomeno ancora in aumento.

Dopo la sua costruzione, il ponte rimase così come era per 18 anni e si manifestarono pesantemente i fenomeni di creep e ritiro, oltre che rilassamento nelle armature. Nel 1990 la cerniera centrale si era abbassata di 1.2 m.

A causa dei danni alla piattaforma stradale ed i relativi disagi subiti dai passanti, il governo delle Palau decise di affidare ad un team di ingegneri l’esame delle problematiche. Questi conclusero che la struttura era sicura, che le deformazioni erano più o meno attese e che vi sarebbe stato un incremento delle deformazioni di 0.9 m nei successivi 100 anni. Per limitare queste deformazioni si decise di intervenire con:

  • – rimozione della cerniera centrale rendendo il ponte a struttura continua;
  • – inserzione di 8 cavi post-tesi con 36 MN all’interno della sezione scatolare. Tali cavi dovevano partire dall’estremità superiore in corrispondenza dei supporti per poi raggiungere l’estremità inferiore in corrispondenza del punto centrale. Tale sistema doveva, oltre a limitare future inflessioni, ridurre quelle attuali di 0.3 m;
  • -altri accorgimenti al punto centrale ed alla piattaforma stradale.

I lavori strutturali furono terminati nel luglio del 1996, mentre la sostituzione della piattaforma fu completata intorno a ferragosto dello stesso anno.

Data l’importanza strategica dell’opera – che, ricordiamolo, collegava l’isola sede della capitale con l’isola sede dell’aeroporto – il governo delle Palau chiese aiuto internazionale e fu preparato un rapporto sulle cause dagli ingegneri dell’esercito degli Stati Uniti – molto ben fatto ed accettato da tutte le parti in causa.

Il rapporto conteneva la seguente sequenza di collasso:

  • 1. fessurazione del calcestruzzo in corrispondenza del Main pier dal lato dell’isola Babelthaup (est), con conseguente esposizione dell’armatura. Il fenomeno si estese per circa 10 m a partire dal Main pier verso il centro del ponte. Proprio alla fine di questi 10 m si può localizzare il punto iniziale del collasso;
  • 2. formazione di forti momenti sul Main pier, i quali causarono fortissime tensioni di trazione sulla parte superiore della sezione, maggiori di quanto poteva essere sopportato, e collasso a taglio delle anime;
  • 3. a seguito di questi collassi locali tutto il ponte (che, ricordiamolo, ormai non presentava più la cerniera centrale) si comportava come una enorme mensola sostenuta solo da un lato: il Main pier dell’isola Koror, che invece era ancora integro;
  • 4. tutto il carico ora gravava sul Main pier del lato Koror, con fortissimo momento flettente agente sul supporto, assorbito mediante sforzi di compressione sul Main pier e trazione sulla piattaforma;
  • 5. l’enorme forza di compressione agente sul Main pier di Koror causò la distruzione del supporto, con ulteriore incremento di tensione sulla piattaforma che cedette per frattura dovuta a trazione;
  • 6. ormai il meccanismo era completo e tutto il ponte rovinò nel canale.

Qui termina il rapporto steso dall’esercito americano.

Il crollo del Palau Bridge visto da altra angolazione.

Facciamo un passo indietro ora e mettiamo a fuoco un aspetto che risulta evidente: qualcosa durante le lavorazioni ha inciso fortemente sul crollo, anticipando un disastro che, probabilmente, sarebbe avvenuto in un futuro non si sa quanto prossimo.

Ma cosa è avvenuto durante quelle lavorazioni?

Sicuramente vi è stato:

  • 1. ridistribuzione dei momenti a seguito della nuova continuità del ponte (ricordate la cerniera che fu tolta);
  • 2. forze longitudinali nel cemento a seguito dell’applicazione di nuovi cavi post-tesi con successiva cadute di tensione proprie della precompressione del calcestruzzo;
  • 3. aggiunta di carico a seguito della stesura di un nuovo strato di pavimentazione stradale;
  • 4. incremento del taglio a seguito di tutte le precedenti azioni in corrispondenza del primo punto da cui ha avuto origine il meccanismo.

Scendiamo più nel dettaglio: tutte le azioni esposte sono concause nel crollo e hanno il loro peso nell’analisi. Sicuramente, come detto, vi è stato un incremento di sollecitazioni in corrispondenza del Main pier ad est, ma tutte le successive discussioni sull’argomento hanno convenuto che tali incrementi non erano sufficienti per dar luogo da soli al collasso. La pavimentazione stradale aggiuntiva, ad esempio, sicuramente ha influito con un incremento di carico, ma non è una causa principale.

Successivamente, l’attenzione si spostò su altri dettagli, come quella serie di fessurazioni notate in corrispondenza della parte superiore della piattaforma. La prima spiegazione fu data addossando le colpe ad un impiego eccessivo dei macchinari distruttivi nell’atto di sostituzione del manto stradale, ma altri commenti testimoniarono invece la facilità di rimozione del materiale che non poteva dar luogo ad usi eccessivi delle suddette macchine.

L’ultima spiegazione era quella più veritiera.

Ma quei fori andavano giustificati. Si scoprì allora che il manto era fortemente collegato al calcestruzzo strutturale sottostante, per tale motivo la riduzione dello strato superiore portò con sé parti dello strato sottostante, provocando forature varie alla struttura. Anche in questo caso, questo problema non può aver causato un crollo globale, ma sicuramente ci sono ripercussioni sul locale.

Si postulò quindi che il danno locale causò l’indebolimento del cemento in prossimità del supporto. Il fatto che il crollo sia avvenuto sei settimane dopo fa pensare ad effetti molto lenti. Quindi, l’incremento di tensioni localmente provocò il fenomeno del creep in corrispondenza del Main pier. Il fenomeno provocò a sua volta la delaminazione nei 30 minuti precedenti al collasso.

LA DIPENDENZA DAI FENOMENI DIFFERITI NEL TEMPO

L’ultima operazione sul ponte, ovvero il rifacimento dell’asfalto, terminò ad agosto, mentre il crollo avvenne il 26 settembre. Non essendoci stato un crollo istantaneo, avvenuto durante o immediatamente dopo una modifica strutturale o una nuova applicazione di carichi, è evidente che entra in gioco il fattore tempo. Tra i fenomeni noti legati al tempo, vi sono, come detto, il creep ed il ritiro, che possono aver causato la tensioni nel ponte diventate critiche solo un mese dopo l’ultimazione dei lavori. Che questi effetti siano stati tanto incidenti può essere sorprendente, dato che spesso si hanno danni modestissimi, nella maggior parte dei casi semplici inestetismi con trascurabili effetti strutturali. Tuttavia, in alcuni casi, ovvero quando l’inflessione della campata è un elemento critico, il fenomeno assume un’importanza molto maggiore. Questo è il caso di Palau. Per intenderci, l’1% di deformazione dovuta al fenomeno sembra trascurabile, ma su 120 m di mensola diviene significativo.

Tutte le analisi successive, mostrano che il fenomeno del “creep & shrinkage”, ovvero creep e ritiro, non è stato valutato attentamente. Anche le relazioni del tempo sembrano essere errate, in quanto, per strutture di questo tipo, conducono ad errori enormi di valutazione. I modelli FEM usati successivamente, in particolare ABAQUS, confermano in pieno questa conclusione.

Immagine tratta da uno dei modelli FEM impiegati per studiare quanto accaduto.


Altra immagine tratta da ABAQUS.


Uno degli output di ABAQUS, nello specifico la distribuzione delle tensioni nel caso di solo peso proprio agente.


Sicuramente vi starete chiedendo: ma l’ingegnerizzazione è stata davvero tanto scadente?

I rapporti parlano di procedure non proprio perfette, ad esempio: tutta l’opera fu aggiudicata ad un contractor locale, il quale vinse con un basso prezzo; successivamente il contractor andò in fallimento. Durante la costruzione il Project Engineer fu licenziato dopo una serie di lamentele sulla qualità del calcestruzzo (che effettivamente fu scoperto essere abbastanza scadente).

A tal proposito, viene rilevato che dai test effettuati prima degli interventi la porosità fu scoperta essere molto alta ed il modulo elastico essere circa 19.5 GPa, ovvero il 37% in meno rispetto a quello ottenibile dalle relazioni impiegate dalle normative che furono prese a riferimento (ACI), le quali nello specifico restituiscono un valore di 30.9 GPa.

Insomma, un quadro non proprio tranquillo che ispira poca fiducia sull’ingegnerizzazione della struttura.

Anche i lavori di riparazione non sembrano essere stati esenti da colpe: anzitutto bisognava rilevare e far notare la pessima qualità del calcestruzzo. Inoltre, è stato giusto cambiare la configurazione strutturale assegnando la continuità tra le due parti di ponte laddove invece erano unite da cerniera?

Sicuramente vi sono delle concause, ma la maggior parte dei rapporti sembrano escludere l’assegnazione delle maggiori responsabilità ai lavori di riparazione. D’altronde, il ponte già si presentava in stato precario prima.

La vera colpa, dunque, sembrerebbe essere a monte: ingegneri che non hanno valutato attentamente certi fenomeni – ripetiamolo: l’1% di deformazione dovuta a creep e ritiro può essere sempre trascurabile su piccole travi, non lo è affatto su luci di centinaia di metri.

Ma non solo, perché c’è anche un altro aspetto che ha la sua importanza: il calcestruzzo era scadente. Pongo una domanda molto importante: quando un cliente riceve un forte sconto dall’impresa sulle lavorazioni, non ci sarebbe da chiedersi il perché? Un famoso detto recita: “il risparmio non è guadagno”.

Il vero risparmio va ricercato nell’ingegnerizzazione, nella bravura degli ingegneri a realizzare “con 1 dollaro quello che generalmente viene fatto con 2”, ma non con materiali scadenti, quanto invece con migliori configurazioni strutturali, con soluzioni maggiormente efficienti, ottimizzazione delle sezioni in funzione dell’effettiva modalità di lavoro della struttura e così via.

Il vero risparmio, dunque, deve arrivare dall’ingegno dell’ingegnere strutturista, non dal ribasso enorme offerto dall’impresa con motivazioni ignote.

Purtroppo in questo caso non vi è stato né l’ingegno degli strutturisti, i quali avevano anche trascurato i fenomeni legati al tempo, né l’impresa seria, che evita di risparmiare sulla qualità al fine di offrire grandi ribassi.

Il crollo del Palau Bridge visto da altra angolazione.

Il crollo di Palau, fin troppo poco noto, nonostante le interessantissime problematiche in gioco, ci restituisce molte lezioni; sia sull’importanza degli aspetti strutturali, sia sull’etica dell’impresa. Lo studio del crollo di questo ponte non è solo esercizio di conoscenza delle strutture, perché esso presenta tutti gli attori che vi possono essere in gioco nel mondo delle costruzioni ed i comportamenti che dovrebbero tenere.

Oggi il mondo dell’ingegneria si spinge sempre oltre, con costruzioni sempre più ardite. Probabilmente, oggi più di ieri sono necessari ingegneri strutturisti (e per ingegneri strutturisti si intendono figure che hanno fatto un certo percorso di studi, sin dall’inizio, e che hanno esperienza specifica) che abbiano ben presenti le varie problematiche che si possono presentare. E’ finita l’era delle costruzioni per analogia ed omotetia…

Per chiarimenti, segnalazioni ed altro è possibile contattare il sottoscritto a:

onorio@strutturista.com

Ing. Onorio Francesco Salvatore

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