LA PRECOMPRESSIONE DELLE STRUTTURE IN ACCIAIO PARTE III PONTI IN ACCIAIO PRECOMPRESSO

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1 LA PRECOMPRESSIONE DELLE STRUTTURE IN ACCIAIO PARTE III PONTI IN ACCIAIO PRECOMPRESSO La tecnica dell acciaio precompresso si è sviluppata soprattutto nella realizzazione di ponti in acciaio a grandi luci e nella riabilitazione dei ponti esistenti. Per ponti di luce di 30 m e fino circa 100 m è possibile estendere la convenienza dell utilizzo della precompressione dell acciaio, nelle travate da ponte semplicemente appoggiate. Il ponte a campata unica (30 Luce 100 m) viene realizzato generalmente con una sezione d impalcato composta da travi in acciaio e soletta collaborante, collegata a queste tramite dei connettori (vedi testo dell Ing. F. De Miranda Ponti a struttura d acciaio edito Italsider). Per questo tipo di ponte la soletta collaborante viene realizzata mediante piastre prefabbricate in cemento armato poggiate sulla struttura in acciaio, o tramite getto di calcestruzzo. Nel primo caso la soletta viene appoggiata sull acciaio e resa solidale alla travata metallica soltanto dopo la presollecitazione, nel secondo caso la presollecitazione deve avvenire prima del getto del calcestruzzo fig. 10 1

2 Le piastre prefabbricate della soletta vengono solidarizzate fra loro e rese collaboranti con la sottostante struttura metallica mediante una serie di getti di sigillatura eseguiti in opera con malte di cemento espansivo. Per realizzare il collegamento acciaio-calcestruzzo nei pannelli della soletta sono previsti dei vani in cui vengono alloggiati i connettori saldati alla travata metallica (fig. 11). Eseguita la sigillatura con malte espansive dei vani dove sono alloggiati i connettori e dei giunti dei pannelli tra loro, la soletta potrà ritenersi collaborante con la struttura in acciaio realizzando il sistema composto acciaio precompresso-calcestruzzo. fig. 11 La realizzazione della soletta collaborante con pannelli prefabbricati non è strettamente indispensabile, può essere posta in opera infatti la usuale soletta in c.a. gettata in opera purché si abbia l accortezza, come già visto in precedenza, di precomprimere le travate metalliche prima del getto del calcestruzzo. In questo caso si dovrà fare molta attenzione alla stabilità della struttura in acciaio nel momento in cui è presollecitata e non è ancora caricata dal peso del getto della soletta perché le zone inferiori delle travate, solitamente soggette a trazione, sono momentaneamente compresse. Un buon dimensionamento delle travate metalliche deve essere tale che in nessuna delle fasi di costruzione del ponte nell impalcato e nelle travi, le tensioni superino i valori ammissibili; questi ultimi devono essere raggiunti solo in fase di esercizio del ponte e quando viene sollecitato dalle condizioni di carico più gravose secondo normativa. Di seguito si riportano le figure 12, 13, 14 rappresentative delle fasi di costruzione come descritte nel testo dell Ing. Miranda. 2

3 La prima fase prevede il varo delle travi metalliche semplicemente appoggiate alle pile. In questo caso le travi sono soggette soltanto al peso proprio. La seconda fase prevede la messa in opera dei pannelli prefabbricati in c.a. della soletta. In questa fase le travi sono soggette al peso proprio e al peso della soletta. fig. 12 La terza fase prevede la messa in tensione dei cavi applicati alle travature metalliche. Nella quarta fase viene effettuata la sigillatura dei pannelli prefabbricati, sia alle travi metalliche per mezzo dei connettori che tra di loro. fig. 13 3

4 Nella quinta fase vengono realizzate le opere di completamento e di corredo della piattaforma stradale. La sesta fase prevede l apertura al traffico del ponte per cui l impalcato reagisce ai carichi mobili di servizio. fig. 14 Il comportamento statico della struttura viene rappresentata nel testo con il grafico di fig. 15 fig. 15 Lo stato tensionale della sezione composta acciaio-calcestruzzo del ponte si evolve man mano che vengono eseguite le diverse fasi di montaggio. Inoltre dal testo si riporta quanto segue: (vedi testo Ing. Miranda) 4

5 Dal punto di vista costruttivo, il sistema consente la prefabbricazione integrale di tutti gli elementi strutturali, sia metallici che in cemento armato, ed una notevole semplicità delle operazioni di montaggio, riducibili sinteticamente alle seguenti: Montaggio degli elementi prefabbricati in acciaio; Montaggio dei pannelli in cemento armato prefabbricati formanti la soletta; Tesatura dei cavi da precompressione in acciaio armonico; Sigillatura dei giunti fra le piastre in cemento armato. Sul piano economico, infine, non vanno taciuti i sensibili riflessi dovuti all eliminazione di qualsiasi tipo di ponteggio o armature provvisionali. Dal punto di vista statico si riducono considerevolmente gli effetti indotti dal ritiro e dalla viscosità del calcestruzzo della soletta rispetto ad altre soluzioni in sistema composto acciaio-cemento armato. La sezione chiusa, infine, conferisce alle travate una notevole rigidezza torsionale, indispensabile per assorbire le forti azioni torcenti provocate da eventuali sensibili eccentricità dei carichi mobili, realizzando, nel contempo, la massima economia dei materiali. La sezione, infatti, reagisce a torsione quasi esclusivamente in regime di Bredt, con valori delle tensioni tangenziali modesti rispetto a quelli indotti da sforzi taglianti, e con effetti di torsione non uniforme poco importanti. Per quanto riguarda le deformazioni, le strutture così progettate risultano notevolmente flessorigide e torsiorigide. La sensibile flessorigidezza delle travate consente di limitare le deformazioni flessionali prodotte dai carichi mobili a valori modesti, mediamente variabili tra 1/70 e 1/1000 della luce; l adozione di sezione chiuse, invece, fa sì che le deformazioni torsionali, di grande importanza nel caso di ponti in curva, siano anch esse molto limitate. I rapporti ottimali di sottigliezza (altezza-luce) delle travate, realizzate con il sistema in esame, oscillano tra 1/15 e 1/25. In conclusione, l introduzione della presollecitazione del tipo illustrato, nonché la prefabbricazione integrale degli elementi strutturali e la particolarità delle modalità esecutive consentono di estendere il campo di impiego delle travate composte semplicemente appoggiate oltre i limiti di convenienza realizzabili con i sistemi costruttivi tradizionali. 5

6 Esempi di realizzazioni di ponti in acciaio precompresso Si riportano di seguito alcune realizzazioni di ponti e viadotti con sezione composta acciaio-calcestruzzo precompressa e una breve descrizione di essi. - Ponte Bonners Ferry Il concetto di acciaio precompresso è stato dapprima applicato negli U.S.A nel nord Idaho in occasione della realizzazione del ponte Bonners Ferry sul fiume Kootenay. fig. 16 Fu aperto al traffico nel 1984 e fu il primo più grande esempio di ponte precompresso a trave continua su più appoggi negli U.S.A. Il ponte è lungo 420 m e largo 22 m. La soletta è stata realizzata in calcestruzzo collaborante ed è stata appoggiata su quattro travi in acciaio. Le campate sono di circa 47,24 m ciascuna con l unica campata finale di 30,48 m. Le quattro travi sono state precompresse nella zona di momento negativo in due fasi. Nella prima fase, le travi in acciaio sono state forzate longitudinalmente, prima del getto del calcestruzzo, per sopportare lo stato tensionale dovuto al peso proprio del calcestruzzo. In questa fase sono stati utilizzati fili da precompressione da 0,5 che formavano trecce in seguito alloggiate in tubi di polietilene e applicate alla flangia superiore delle travi. Gli ancoraggi sono stati realizzati con elementi cilindrici saldati a dei piatti che successivamente vennero imbullonati alle travi con bulloni ad alta resistenza (fig. 17). Gli ancoraggi e i tubi di plastica contenenti i cavi sono stati ricoperti dal calcestruzzo dell impalcato. Nella seconda fase la precompressione ha interessato il calcestruzzo della zona di momento negativo 6

7 fig. 17 Per la precompressione dell impalcato si utilizzarono fili da 0.5 pollici alloggiati in tubi di polietilene posti a metà della profondità dell impalcato. Nella zona di momento positivo le travi non sono state precompresse, ma progettate per funzionare in collaborazione con l impalcato. In questo modo si ottenne una struttura capace di offrire prestazioni strutturali più alte, facile da varare, e quindi più economica: l offerta fatta in sede di gara d appalto, sulla base di un progetto in acciaio precompresso, risultò di gran lunga più bassa rispetto a quella che prevedeva un progetto dello stesso ponte in calcestruzzo precompresso. - Ischl Bridge, Austria Il primo ponte costruito in Austria in acciaio precompresso con soletta collaborante, è quello che si trova ad Ischl. Questo ponte ha una sola campata di lunghezza pari a 47 m e una larghezza di 5,20 m. Le travi in acciaio come mostra la figura 18 sono poste a un interasse pari a m 3. I cavi da precompressione sono quattro e sono stati ancorati a delle pesanti travi trasversali posizionate all estremità del ponte stesso. fig. 18 7

8 - Bois de Rosset Viaduct Il Bois de Rosset Viaduct, ponte situato vicino Faoug (Svizzera), è stato costruito nel periodo che va dal per conto del Dèpartement des Travaux Publics du Canton De Vaud dallo studio di ingegneria CEPT Ingènieurs-Conseils e da DIC Ingènieur-Conseil e consiste di due impalcati in calcestruzzo sorretti da travi in acciaio precompresso. Ciascun impalcato si sviluppa su 15 campate che si estendono per una lunghezza complessiva di 617,25 metri e una larghezza di 13,00 metri. Le prime due campate di ogni impalcato hanno una lunghezza rispettivamente di 23,00 e 34,20 metri, altre 11 campate hanno una lunghezza pari a 42,75 metri, e le ultime due hanno una lunghezza pari a 51,30 e 38,50 metri. Inoltre il ponte attraversa una linea ferroviaria ad un altezza dal piano ferrato di 10 metri. La sezione in acciaio è di tipo scatolare e viene precompressa su ogni lato da 4 cavi di tipo VSL ciascuno dei quali è costituita da 12 fili come si vede in figura. fig. 19 Questo progetto è il primo in Svizzera che fa uso di cavi esterni di tipo menzionato, ragion per cui il ponte viene monitorato attraverso un programma di osservazione a lunga scadenza; tale programma si appoggia sulle registrazioni effettuate dalle celle di lettura di carico permanente che sono state installate in alcuni cavi del ponte. Tutti i fili, inoltre, sono riparabili o sostituibili. Prima della messa in opera di tale struttura sono state fatte diverse prove di laboratorio per studiare il comportamento dei materiali, le procedure di montaggio, i sistemi di ancoraggio e per quantificare le perdite di carico nei cavi di precompressione. 8

9 - Lauffen Bridge, Germania Questo ponte situato sopra il Neckar Canal ha una luce di 34 m ed è stato costruito nel Il ponte è composto da due travi a sezione piena collegate ad un impalcato in c.a. Ciascuna trave in acciaio è stata precompressa con quattro cavi rettilinei, ciascun cavo è formato da 52 fili di diametro di 5,3 mm (vedi fig. 20). Dopo la costruzione dei controventi trasversali, le travi sono state precompresse con martinetti idraulici e successivamente è stato gettato l impalcato. La precompressione ha ridotto la tensione nel lembo superiore del 28% e nel lembo inferiore del 61%. fig North Bridge Approaches at Dusseldorf, Germania Per le 6 campate da 72 m ciascuna a travata continua del ponte sopra il River Rein a Dusseldorf i cavi hanno una configurazione di tipo poligonale e sono portati da irrigidimenti trasversali progettati per resistere ai momenti torcenti dovuti all attrito durante il tensionamento dei cavi (fig. 21). 9

10 fig. 21 Ciascuna trave principale è precompressa con 4 cavi, che hanno una lunghezza totale di 470,18 m e diametro ciascuno di 7,18 cm. I cavi sono ancorati alla trave in acciaio ed inducono compressione nella trave stessa, in maniera simile ad un ponte strallato. Alcuni dettagli del ponte sono riportati nelle figure 22 e 23. fig. 22 fig

11 - Viadotto Chatelet a Charleroi Belgio Questo progetto innovativo nasce dall esigenza di minimizzare al massimo il peso dell impalcato, date le difficili condizioni del terreno. In questa ottica si è pensato di realizzare una sovrastruttura composta da una travatura d acciaio di altezza pari a 3 m, portante una piastra leggera in calcestruzzo di 16 m di larghezza (vedi fig. 24). Molte delle 25 campate di lunghezza variabile tra 34 e 58 metri, eccetto quella principale di 68 m, sono semplicemente appoggiate. Le travature d acciaio sono precompresse con cavi esterni; alla base di ciascuna travatura sono installati 6 cavi. Questi ultimi passano all interno di tubi in polietilene, iniettati dopo la tesatura. Per stimare il comportamento a fatica dei cavi e degli ancoraggi sono stati eseguiti dei test a grandezza reale. Un altro dettaglio verificato è stato la solidità del sistema dei cavi in ogni punto, in particolare in corrispondenza degli ancoraggi e dei deviatori. fig. 24 Il tracciato dei cavi è praticamente rettilineo; dei deviatori sono stati previsti infatti, solo vicino agli ancoraggi per ovvi motivi di spazio. - Viadotto n 10 Italia: (Estratto dal testo strutture in acciaio precompresso dell ing. Nunziata edito Flaccovio) In Italia è stato realizzato un ponte con struttura in acciaio precompresso denominato viadotto n 0 10 lungo la strada a scorrimento veloce tra la stazione di Vallo della Lucania e Policastro Bussentino, progettato dall ingegnere Luigi Musumeci e costruito nell anno 11

12 1992. Tale viadotto si sviluppa per una lunghezza di 220 m e poggia su una pila centrale posta a 110 m (fig. 25). fig. 25 Le due campate adottano uno schema isostatico per garantire una maggiore sicurezza nel caso in cui si dovessero verificare spostamenti del terreno di fondazione. Una struttura analoga in c.a.p. isostatica, su luci dell ordine citato, avrebbe comportato sia costi elevati che perplessità sulla costruzione della stessa. Pertanto è stato previsto l impiego di strutture miste acciaio-calcestruzzo, ricorrendo alla precompressione al lembo inferiore delle travate, per ridurre l altezza delle stesse e contenere il costo relativo. Una struttura come quella proposta oltre a comportare pesi totali minori può consentire spostamenti di ripresa sia verticali che orizzontali, in maniera tale da ripristinare gli allineamenti originari con costi e tempi di intervento modesti. Il viadotto della larghezza di 14,25 m è composta da due luci di 100 m con sbalzi di estremità da 5,00 m (fig. 26) fig. 26 Il sistema proposto consiste in una trave a cassone a sezione chiusa su luce di m 100, presollecitata con cavi rettilinei in acciaio armonico. La soletta di impalcato, che completa la sezione, non è precompressa ed è realizzata mediante lastre prefabbricate in c.a. posizionate sulla struttura metallica. 12

13 La precompressione, limitata alle strutture in ferro ed eseguita in opera, è stata effettuata mediante cavi di acciaio armonico a tracciato rettilineo. Tali cavi, di lunghezza variabile, sono stati disposti come richiesto dal comportamento statico della struttura, come riportato nella fig. 27 fig. 27 Per i cavi è stata prescelta la soluzione di cavi esterni, soluzione che consente di sostituire i cavi stessi in caso di necessità. I cavi in numero di 12, composti ognuno da 12 trefoli da 0,6 sono contenuti in tubi di poliestere rigido da 96/ 90 mm. Particolari dispositivi di ancoraggio sono stati ricavati nella parte inferiore del cassone, in corrispondenza dei traversi di irrigidimento. È da notare che il sistema di precompressione risulta molto semplice dal punto di vista esecutivo e che gli sforzi di precompressione, sono quasi totalmente sfruttati perché le perdite, si limitano sostanzialmente a quelle indotte dal rilassamento dell acciaio. L esecuzione della soletta di impalcato è stata prevista con lastre da ml. 5,25x6,46 per la zona centrale e di ml. 3,06x6,46 per gli sbalzi. Una volta eseguita la sigillatura dei giunti di soletta, con malta antiritiro, la soletta può ritenersi collaborante con la struttura in acciaio (fig. 28). 13

14 fig. 28 La sequenza delle fasi costruttive, e di montaggio è avvenuta come di seguito descritto: (fig. 29) 1. In questa fase le travate metalliche sono state appoggiate sulle sottostrutture in posizione definitiva. 2. In questa nuova fase si è proceduto alla posa delle solette prefabbricate 3. Nella III fase si è effettuata la presollecitazione della travatura 4. In questa fase si è proceduto alla sigillatura delle lastre di soletta. 5. Nella quinta fase l impalcato venne completato con la posa dei cigli, dei guardavia e della pavimentazione. 6. Nell ultima fase il ponte fu aperto al traffico. 14

15 fig. 29 Il comportamento statico della struttura è quindi estremamente chiaro: gli stati tensionali prodotti dai carichi nelle fasi sono sopportati dalla struttura metallica mentre, nella fasi successive 5 e 6, reagisce il sistema composto acciaio calcestruzzo. Si riportano di seguito alcune immagini del viadotto, (da fig. 29 a fig. 37) riprese durante la costruzione ed a opera ultimata. fig. 29 e 30 - Varo trave a cassone e posa soletta in c.a.. 15

16 fig Fori passaggio cavi fig Particolare ancoraggi fig. 33 e 34 - Ancoraggi cavi iniettati 16

17 fig. 35 e 36 - Variazione numero di cavi lungo la trave fig Viadotto ultimato 17

18 Il progetto del ponte sul mar Piccolo a Taranto E di notevole interesse riportare la descrizione della realizzazione di questo ponte estratto dal libro dell ing. De Miranda edito Italsider per le problematiche che si sono dovute affrontare nelle fasi di costruzione. fig. 38 La particolare posizione geografica in cui questo ponte doveva sorgere, ha posto tutta una serie di vincoli che hanno notevolmente ristretto il campo in cui operare le necessarie scelte progettuali. L opera infatti è stata realizzata in una zona di mare soggetta a navigazione, in prossimità del porto, per cui è stato necessario garantire un franco in altezza per la navigazione stessa (fig. 38). Il ponte doveva inoltre portare tutta una serie di servizi (acquedotti, gasdotti, cavi elettrici e telefonici) per l urbanizzazione della zona. Per rispettare tutti questi vincoli si è giunti ad un progetto con le seguenti caratteristiche: 1. travi a cassone chiuso semplicemente appoggiate su sette campate di 96,50m di luce ciascuna, composta da tre facce di lamiera, irrigidita superiormente da controventi. 2. un sistema di travi trasversali in acciaio posti ad interasse di 7,30 m per il sostegno della sovrastruttura dell impalcato; 3. impalcato costituito da pannelli prefabbricati in c.a. solidarizzati tra loro tramite getto di conglomerato espansivo; 4. un sistema di mensole aggettanti dai longheroni e solidarizzati successivamente da apposite armature di acciaio, 18

19 5. un sistema di elementi prefabbricati in c.a. (cordoli, cordonali e lastre) per la formazione del marciapiedi e dello spartitraffico. 6. apparecchi d appoggio. Di seguito vengono riportate le fasi di costruzione e montaggio dell opera: I Fase Durante questa prima fase sono state realizzate le palificazioni e le fondazioni, successivamente, sono state gettate le pile in c.a. Nel frattempo in officina venivano eseguite le strutture prefabbricate in acciaio e in un cantiere predisposto, si prefabbricavano i pannelli in calcestruzzo armato della soletta d impalcato. II Fase In questa fase è stato effettuato lo stoccaggio e l assemblaggio delle travate metalliche e la predisposizione dei cavi di precompressione, su appositi piazzali adiacenti le banchine di attracco. III Fase Tramite un ponte galleggiante della portata di 800 tonnellate con applicata una gru a sbraccio, le singole travate sono state trasportate e sollevate sulle pile. Durante questa fase le travature venivano sollecitate dal solo peso proprio. IV Fase Durante questa fase sono state messe in opera i pannelli prefabbricati costituenti il solettone d impalcato. V Fase In questa fase è stata effettuata la presollecitazione delle travate metalliche, mediante pretensionamento graduale dei cavi. VI Fase Durante questa fase è stata effettuata la sigillatura delle lastre in c.a. alle strutture metalliche rendendo così solidali la struttura metallica ed il solettone in c.a. 19

20 VII Fase Sono stati collocati durante questa fase tutti gli elementi accessori e di corredo stradale e successivamente il ponte fu aperto al traffico. Ponti ad arco I ponti in acciaio ad arco costituiscono un altra tipologia strutturale che può beneficiare della tecnologia della precompressione dell acciaio. Un esempio di applicazione della precompressione dell acciaio si è avuto dalla realizzazione del ponte Smith Street in San Paul, nel Minnesota, meglio conosciuto come High Bridge (ponte alto) fig. 39. Questo ponte fu costruito per la prima volta nel tardo diciannovesimo secolo utilizzando il ferro battuto e fu concepito per collegare le due rive del fiume Missisipi. fig. 39 Negli anni ottanta il ponte divenne funzionalmente obsoleto e necessitava di essere sostituito. Un comitato di cittadini del luogo, per garantire un buon livello estetico del ponte a costi non elevati, scelse un progetto che prevedeva un ponte ad arco a tre campate identico a quello da sostituire. La campata principale del ponte doveva essere lunga 165 m, mentre le altre due laterali 73 e 79 m. Il nuovo progetto suscitava però forti perplessità in quanto, in quel periodo, altri ponti ad arco avevano subito delle rotture fragili. I punti deboli del ponte erano i puntoni di acciaio saldati all arco che non garantivano un adeguato livello di elasticità. 20

21 Per sopperire a tale mancanza il progetto originario fu adeguato con l inserimento di cavi di precompressione all interno dell arco. I cavi avrebbero avuto lo scopo di sostenere l arco nel caso in cui questo avrebbe subito delle rotture fragili. Le trecce, inserite all interno di tubi di acciaio saldati all arco, erano formate da sette fili di diametro di 0,5. Questi cavi costituirono dei percorsi alternativi per le tensioni e ridussero la forza di trazione sull arco a valori molto bassi. Tale riduzione della forza di trazione ebbe come scopo di diminuire la probabilità di rottura fragile nei puntoni. Il ponte fu varato utilizzando gli stessi sistemi richiesti per il varo di un ponte in acciaio convenzionale. Sfruttando così la tecnica della precompressione dell acciaio, si raggiunse lo scopo di costruire una struttura snella ed economica. Un altro esempio di ponti con strutture ad arco che sfruttano la tecnologia della precompressione dell acciaio sono i ponti a singola campata Chung Shan e Mac Arthur che attraversano il fiume Keelung in Tapei Taiwan (fig. 40). fig. 40 I due ponti Chung Shan furono costruiti nel 1992 e si sviluppano per una lunghezza di 92,5 metri, attraverso una piattaforma di calcestruzzo larga 17 metri. Le tecniche e i principi utilizzati per la precompressione dell acciaio sono le stesse viste per il ponte High Bridge. Un altro esempio di struttura simile a quella vista prima è il ponte in acciaio precompresso che attraversa il fiume Yangtze a Chongquing in Cina, aperto nel 2005 (fig. 41). 21

22 fig. 41 Casteldaccia (PA), lì Ing. Francesco Solazzo 22