Nel National Bridge Inventory del 2012, 61.038 ponti e tombini avevano una limitazione di carico (load posting, nella terminologia FHWA), circa il 10% del totale, e l'82% apparteneva ad amministrazioni locali. Secondo la NCHRP Synthesis 453, che ha analizzato quei dati, il 93% delle strutture limitate era stato valutato solo per calcolo, mentre le prove di carico erano state usate per meno dell'1% di tutte le valutazioni della capacità di carico (load rating). Un ponte limitato si può rinforzare o sostituire, ma esiste anche un'opzione più economica, cioè verificare la sua valutazione con la risposta della struttura sotto un carico reale. È anche la meno usata.

Le domande sulla valutazione della capacità di carico con dati misurati sono quindi due. Quando una misura vale più di un limite di peso, e per quanto tempo una singola misura resta valida?

Valutazioni calcolate e limitazioni di carico

Tre quarti delle strutture limitate nell'analisi NCHRP erano in condizioni generali discrete o buone. Una limitazione di carico non significa per forza che un ponte sia in cattivo stato, ma che gli ingegneri che lo hanno valutato non avevano abbastanza informazioni per dimostrare il contrario.

Il carico mobile di progetto è sconosciuto per il 57% delle strutture limitate, e molti ponti di proprietà locale non hanno alcun progetto. Quando le informazioni mancano, chi fa la valutazione deve colmare le lacune con ipotesi cautelative. La collaborazione tra soletta e travi viene ignorata se i connettori a taglio non sono documentati, gli appoggi vengono modellati come liberi e la ripartizione dei carichi mobili si ricava dai coefficienti di normativa invece che dall'impalcato reale. I più penalizzati sono i ponti più vecchi a travi in acciaio, con 22.481 strutture limitate, più di uno su cinque tra tutti i ponti di questo tipo nell'inventario. Ogni ipotesi è ragionevole da sola, ma quando vengono applicate tutte insieme anche una campata sana può ritrovarsi con un rating factor sotto 1,0.

La FHWA chiede che il limite di peso sia in vigore entro 30 giorni dalla valutazione. Dal FAST Act, i ponti raggiungibili dalla rete Interstate devono essere valutati anche per i veicoli di emergenza fino a 86.000 libbre (circa 39 t, i modelli EV2 ed EV3), e gli Stati hanno aggiunto limiti per i veicoli di emergenza su molti ponti rurali.

Prove di carico diagnostiche

La procedura è descritta nella Section 8 dell'AASHTO Manual for Bridge Evaluation (MBE). Un camion con pesi per asse misurati attraversa il ponte lungo percorsi prestabiliti, mentre i sensori registrano deformazioni o abbassamenti negli elementi critici. L'ingegnere confronta poi la risposta misurata con quella prevista dal modello per lo stesso carico, e da quel confronto calcola un fattore correttivo, K = 1 + Ka·Kb, che si applica al rating factor analitico. Ka è il beneficio osservato nella prova. Kb, compreso tra 0 e 1, è la parte di quel beneficio che il valutatore considera affidabile ai livelli di carico della valutazione.

È noto che i ponti più vecchi di solito si abbassano meno sotto il camion di prova di quanto prevedano i loro modelli. Le travi si ripartiscono il carico meglio di quanto assumano i coefficienti di normativa, le solette collaborano con travi che sulla carta non hanno connettori a taglio, e gli appoggi modellati come liberi assorbono parte del momento. In uno studio del Kentucky, i ricercatori hanno sottoposto a prova di carico 14 ponti privi di progetto. La maggior parte risultava sotto la soglia di limitazione sulla carta, e dopo le prove i ricercatori hanno raccomandato di togliere la limitazione su tutti e 14. In uno studio pubblicato sull'ASCE Journal of Performance of Constructed Facilities, l'inventory rating factor di un ponte rurale a travi in acciaio è salito da 1,5 a 4,1 per il camion di prova.

Naturalmente, un camion di prova non è il carico della valutazione. La collaborazione trave-soletta non prevista e il vincolo degli appoggi possono essere presenti durante la prova e sparire a carichi più alti, o dopo qualche altro inverno di corrosione all'interfaccia tra soletta e travi. Per questo, se non si può dimostrare che la rigidezza in più resterà nel tempo, il valutatore riduce il beneficio, ed è il motivo per cui il fattore correttivo di una singola prova è spesso molto più piccolo della differenza misurata tra modello e ponte.

Dati continui dopo la prova

Il monitoraggio continuo non è necessario su tutti i ponti sottoposti a prova. Su una campata corta a soletta o in legno, con una ripartizione dei carichi migliore del modello e nessun degrado in corso, la prova da sola è sufficiente. Un caso in cui il monitoraggio sarebbe necessario è un ponte la cui valutazione più alta dipende da un meccanismo che può cambiare nel tempo. Il secondo è un ponte che sta cambiando, per degrado o per un intervento di ripristino recente.

Il vincolo degli appoggi è l'esempio più chiaro del primo caso. Gli appoggi in elastomero si irrigidiscono con il freddo, e gli appoggi a bilico o a scorrimento corrosi si bloccano e si sbloccano con le stagioni, quindi il vincolo misurato in una prova invernale può non esserci con le temperature estive. Con un inclinometro su ogni linea di appoggi, gli ingegneri possono seguire le rotazioni di estremità sotto traffico per tutto l'anno. Se d'estate la rotazione al passaggio dei mezzi pesanti cresce, una parte del fattore K ottenuto in inverno dipendeva dalla temperatura, e gli ingegneri devono riconsiderare la valutazione. Lo stesso vale per la collaborazione trave-soletta sui ponti con l'impalcato in degrado, e per qualsiasi campata dopo un intervento di ripristino il cui beneficio è stato incluso nella nuova valutazione.

I profili di abbassamento registrati durante la prova, analizzati nello Static Deflection Tool di MyMove, diventano la baseline. Il peso di ciascun camion che attraversa il ponte dopo la prova non è noto, ma nell'arco di un mese la distribuzione degli abbassamenti è stabile. Quindi, se gli abbassamenti più alti iniziano a variare a temperature comparabili, è cambiato il ponte o è cambiato il traffico, ed entrambe le cose contano per la valutazione. Un sensore di spostamento dinamico DECK002-X in mezzeria e gli inclinometri sugli appoggi misurano la stessa risposta globale della prova, così ogni mese di traffico si può confrontare con la baseline. Gli accelerometri AXE-STD-LR-2 e il Modal Analysis Tool aggiungono una seconda verifica che non dipende dal passaggio dei mezzi pesanti, perché una variazione della frequenza fondamentale significa che la rigidezza del ponte è cambiata.

Nello studio pooled fund TPF-5(219), guidato dall'Iowa, i ricercatori hanno concluso che l'uso più pratico dei dati di monitoraggio è come fattore di taratura della valutazione, non come sua base. Il monitoraggio continuo non sostituisce l'ingegnere che calcola la valutazione, ma gli dà abbastanza informazioni per sapere se il fattore correttivo è ancora valido, invece di assumerlo una volta per tutte.

Domande frequenti

Una prova di carico può far togliere il limite di peso a un ponte in cattive condizioni?

Raramente. Una prova diagnostica misura la rigidezza, mentre la perdita di sezione o gli elementi fessurati riducono la capacità molto prima di cambiare la rigidezza. Quando la limitazione deriva da un degrado documentato, i risultati della prova di solito coincidono con la valutazione calcolata.

Bastano gli abbassamenti, o una prova diagnostica richiede estensimetri?

L'MBE accetta come risposta misurata sia le deformazioni sia gli abbassamenti. La deformazione nella sezione critica è legata direttamente all'elemento che si sta valutando, mentre abbassamenti e rotazioni di estremità descrivono il comportamento globale e la ripartizione dei carichi con meno sensori. La maggior parte dei programmi di prova combina pochi estensimetri con la misura dello spostamento in mezzeria.

Per quanto tempo devono restare i sensori su un ponte dopo una prova di carico?

Almeno un ciclo stagionale completo, così la baseline copre tutto l'intervallo di temperature di appoggi e impalcato. Dopo, vale la pena di mantenere la strumentazione sui ponti dove la limitazione è stata tolta grazie al vincolo degli appoggi o alla collaborazione trave-soletta non prevista.