POLITECNICO DI TORINO

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1 POLITECNICO DI TORINO I FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di laurea specialistica in ingegneria Civile Indirizzo strutture Effetti della precompressione esterna su impalcati da ponte misti acciaio-calcestruzzo Relatori: Prof. Ing. Giuseppe MANCINI Ing. Gabriele BERTAGNOLI Candidato: Dino SQUIZZATO Ottobre 2010

2 1. STRUTTURE MISTE ACCIAIO CALCESTRUZZO 1.1 SEZIONE TRASVERSALE Gli impalcati a sezione composta acciaio-calcestruzzo stanno vivendo un momento di rapida evoluzione. La motivazione è da ricercare nella disponibilità di nuovi materiali e prodotti come, per esempio, acciai saldabili ad alta resistenza oppure piatti di notevole spessore a resistenza garantita e con lo stesso spessore variabile lungo lo sviluppo longitudinale, e ancora calcestruzzi ad alta resistenza. La grande diffusione di questa metodologia di costruzione è aiutata dai progressi raggiunti nelle tecnologie di costruzione e montaggio. La saldatura in opera ha raggiunto livelli di notevole precisione, nuove tecniche di realizzazione della soletta hanno permesso di coprire facilmente le luci delle sezioni trasversali e, infine, l utilizzo di precompressione esterna. Sarà, appunto, la precompressione esterna oggetto di studio del presente lavoro. Altrettanto rilevanti sono gli affinamenti raggiunti nelle analisi strutturali con lo sviluppo di specifici programmi di calcolo numerico e nella valutazione della misura della sicurezza strutturale, soprattutto grazie alle conoscenze acquisite sul comportamento post-critico delle anime che consentono una verifica più accurata allo stato limite ultimo delle travi metalliche. Questa evoluzione ha avuto un accelerazione tale da conferire competitività alla soluzione composta, riportandola all attenzione dei committenti e dei progettisti di 5

3 ponti e viadotti. Tra i principali vantaggi offerti da questa tipologia strutturale si possono annoverare: la leggerezza (elevato rapporto resistenza/peso), la snellezza (elevato rapporto L/h), la scarsa sensibilità ai cedimenti differenziali delle fondazioni la facilità di realizzazione di impalcati continui con campate di differenti lunghezze e con curvature imposte dal tracciato stradale la durabilità conseguente alla possibilità di rinnovare lo strato protettivo contro la corrosione e di sostituire elementi strutturali anche per aumentarne la capacità portante la qualità architettonica conferita dalla semplicità dei particolari costruttivi e dalla chiarezza dell impianto strutturale che lascia comprendere la funzione dei vari elementi. Le principali tipologie utilizzate per gli impalcati continui sulle luci medie sono riconducibili a due schemi: schema bitrave schema a cassone Schema bitrave Figura 1 Sezione bitrave. La soluzione con schema bitrave è quella maggiormente impiegata data la semplicità di posizionamento e l economicità dell esecuzione. Essa è costituita da due travi a I ed è dotata di un numero ridotto di traversi, sempre di forma a I, normalmente non solidali alla soletta e saldati agli irrigidimenti verticali delle due travi principali. 6

4 I traversi hanno un interasse di 6-8 m e nei ponti di piccola luce (< 30 m) possono essere addirittura eliminati, lasciando la funzione di irrigidimento alla soletta e ai traversi di testata. La posizione dei traversi a metà altezza delle travi è quella più conveniente (Figura 1), in quanto consente sia il passaggio delle casseforme mobili per il getto della soletta, sia la manutenzione delle piattabande superiori. Anche il numero degli irrigidimenti è ridotto rispetto al passato, soprattutto per quanto riguarda gli irrigidimenti longitudinali delle anime che, in alcuni casi, possono esser eliminati completamente facendo ricorso ai più avanzati criteri di verifica basati sul comportamento post-critico dei pannelli d anima. Lo schema trasversale e la posizione dei traversi cambia a seconda che la larghezza dell impalcato divenga più grande. Con larghezze della soletta molto grandi (15-25 m), la tipologia bitrave risulta ancora vincente se i traversi diventano solidali alla soletta (i traversi sono definiti traversi portanti). Figura 2 Sezione bitrave con traversi interni e solidali alla soletta. Nel caso di Figura 2, i traversi sono presenti nella sola parte interna dell impalcato: il loro interasse e la lunghezza degli sbalzi condizionano lo spessore della soletta. L interasse delle travi può essere tale da richiedere una coppia di pile. Per contenere l interasse delle travi longitudinali e, quindi, l ingombro delle pile si può ricorrere alla soluzione con traversi aggettanti e sbalzi laterali molto pronunciati (Figura 3). Figura 3 Sezione bitrave con traversi a sbalzo. 7

5 Nel caso si scelga questa soluzione, le opere realizzate appaiono molto leggere con interasse dei traversi di circa 4 m e spessore della soletta di cm. Per larghezze più contenute la soletta può essere ordita trasversalmente con uno o più appoggi intermedi realizzati con travi secondarie ad I appoggiate sui traversi. Viadotto Crescenza Un esempio della metodologia appena presentata è il viadotto Crescenza, ultimato nel novembre Figura 4 Viadotto Crescenza, La progettazione è stata sviluppata dallo studio di ingegneria civile Matildi. Lo sviluppo longitudinale è composto da luci da 65 m m + 75 m con sezione variabile. L altezza delle travi in acciaio non è costante, ma presenta una altezza massima agli appoggi e una altezza minima in campata. Viadotto Reghena Anche il viadotto Reghena, sempre studiato dalla società di ingegneria civile Matildi, è stato realizzato con la stessa metodologia. 8

6 Figura 5 Viadotto Reghena, assemblaggio travi, La massima luce raggiunta è di 88 m. La Figura 5 manifesta la semplicità con la quale queste travi in acciaio possono essere sollevate e messe in opera. In Figura 6 è mostrata una vista frontale delle travi. Figura 6 - Viadotto Reghena, assemblaggio travi,

7 1.1.2 Schema a cassone a sezione in acciaio La sezione a cassone, ottenuta con una trave metallica aperta superiormente e pareti piane, è generalmente più costosa, in quanto più pesante e di più complessa realizzazione. Può diventare competitiva qualora sia interamente realizzata in officina e quindi solo se ha una larghezza contenuta (< 5 m). Tuttavia, essa costituisce un ottima soluzione strutturale sia quando è richiesta un elevata rigidezza torsionale, sia quando si vuole ridurre l altezza dell impalcato ed ottenere un risultato estetico più gradevole. Solitamente, le pareti inferiori e laterali sono realizzate in acciaio, mentre la chiusura superiore è garantita dalla soletta in calcestruzzo, la quale svolge anche il compito di piattaforma stradale. Il cassone trapezio, rispetto a quello rettangolare, ha il vantaggio di contenere la larghezza del fondo (Figura 7) e ridurne la parte non efficace per effetto shear lag. Figura 7 Sezione a cassone a trapezio. Nel caso in cui la sezione trasversale richieda un impalcato molto largo, la soluzione a cassone monocellulare può essere ancora utilizzata ricorrendo ai traversi aggettanti solidali alla soletta (Figura 8), oppure sostenendo gli sbalzi laterali con travi reticolari inclinate o con semplici puntoni collegati al fondo del cassone (Figura 9). Figura 8 Sezione a cassone monocellulare. 10

8 Figura 9 Sezione a cassone con travi reticolari. Negli impalcati curvi o di grande luce, per aumentare la rigidezza torsionale durante il varo, la parte metallica può essere chiusa superiormente (Figura 9). Si hanno diversi vantaggi: effetto estetico gradevole possibilità di sfruttare l interno del cassone per il passaggio degli impianti e per la manutenzione da parte degli addetti utilizzo di pile più snelle rispetto agli impalcati a graticcio Schema a cassone a sezione mista Tuttavia, il cassone può essere realizzato anche con sezione mista acciaiocalcestruzzo. L uso dell acciaio è limitato alle sole anime dell impalcato, mentre il calcestruzzo è utilizzato per la realizzazione di una soletta superiore e una inferiore. Figura 10 Schema a cassone a sezione mista. La funzionalità di tale sistema risiede nel fatto che le tensioni di compressione sono assorbite dal calcestruzzo, mentre le tensioni di trazione sono ridotte, se 11

9 non persino annullate, dall uso della precompressione. Inoltre, alle anime delle travi in acciaio è affidato il compito di assorbire le tensioni di taglio. L utilizzo della precompressione esterna contribuisce a migliorare la durabilità dell opera nel corso degli anni. Il cassone, essendo ispezionabile dall interno, non ha problemi di manutenzione, quali sostituzione di cavi o parti danneggiate. La prima applicazione di questa sezione in Italia è stata compiuta sul viadotto di Roccaprebalza, lungo l autostrada Parma La Spezia, che stabilì il record mondiale per la lunghezza della campata (120 m) nella categoria dei ponti a sezione mista con anime irrigidite su schemi statici continui. Figura 11 Viadotto di Roccaprebalza. Per la realizzazione del viadotto furono vagliate diverse tipologie costruttive: costruzione per conci: conci prefabbricati in sito o in stabilimento sono accoppiati tramite sistema launching girder. La limitatezza risiede nel peso dei singoli elementi che se superano le 100 t devono essere sollevati da fondo valle stampelle a sbalzo con conci gettati in sito e precompressione mista: la precompressione interna utile per le fasi costruttive ed esterna per il comportamento in esercizio stampelle a sbalzo con conci a sezione composta e precompressione mista (interna ed esterna). La prima soluzione citata presenta problemi di costo troppo elevati. Il noleggio delle macchine per il launching girder sono insostenibili come anche l affitto di una possibile gru per il sollevamento dei conci da fondo valle. La seconda soluzione proposta vede l impiego di una struttura di supporto, impalcatura, di dimensioni paragonabili all altezza delle pile e un tempo di esecuzione troppo 12

10 lungo, dovuto alla compatibilità di una sola coppia di impalcatura per non eccedere nei costi finali. La terza soluzione richiede l utilizzo di una gru a torre che riduce notevolmente i tempi di realizzazione, eliminando l impiego di launching girder. Per il viadotto di Roccaprebalza fu scelta la terza tipologia con un impiego di: 0,85 m 3 /m 2 di calcestruzzo 220 kg/m 2 di acciaio per le travi 60 kg/m 2 di acciaio da precompressione (interna ed esterna) 170 kg/m 2 di acciaio per armatura ordinaria. Confrontando questi dati con quelli di altri viadotti si intuisce come questa soluzione sia notevolmente più economica. 1.2 IMPALCATO Per quanto riguarda la scelta delle luci di un viadotto a sezione composta, in assenza di vincoli sulla disposizione degli appoggi, ci si può orientare sulle luci comprese tra 50 e 80 m, con campate laterali pari al 65-70% delle campate intermedie. Gli impalcati a sezione composta sono tuttavia utilizzati anche per luci di m. Per il rapporto h/l della sola parte metallica si può far riferimento ad un rapporto di 1/25 per gli impalcati continui bitrave ed 1/30 per quelli a cassone. Le principali innovazioni introdotte nella concezione e costruzione dei ponti a sezione composta riguardano: nuovi tipi di acciai e di prodotti tecniche costruttive della soletta Nuovi tipi di acciai e di prodotti L impiego di nuove e più sofisticate attrezzature per la lavorazione dell acciaio ha permesso di mettere a punto processi di laminazione in grado di ottenere direttamente le proprietà meccaniche delle lamiere di forte spessore, senza dover ricorrere a ulteriori trattamenti termici. Gli acciai prodotti con questo metodo di lavorazione sono detti "acciai termomeccanici". In pratica l utilizzo di acciai termomeccanici (TM), rispetto a quelli normalizzati (N), presenta il duplice vantaggio di avere maggiori resistenze meccaniche abbinate a migliori 13