Viale Kennedy 4 90014 Casteldaccia (PA) www.ingegneriasolazzo.it LA PRECOMPRESSIONE DELLE STRUTTURE IN ACCIAIO PARTE II LE STRUTTURE A GRANDI LUCI L esigenza di creare dei grandi open space, per eventi sportivi o per stabilimenti nell ambito delle attività produttive, ha spinto molti progettisti a realizzare strutture a grande luce senza appoggi intermedi. Di conseguenza la necessità di realizzare strutture leggere ed economiche per superare grandi luci, ha esaltato la convenienza che si ha nell utilizzare strutture in acciaio precompresso. Un gruppo di ricercatori giapponese costituito dal Kawasaki Steel Corp e dallo Shimizu Corp, nel 1985 ha ideato una struttura di luce pari a 100 metri sfruttando appunto la tecnologia della precompressione dell acciaio E di notevole interesse, per quanto sarà analizzato successivamente per le strutture in acciaio precompresso, riportare lo studio eseguito dal gruppo e i risultati cui sono pervenuti. I ricercatori infatti hanno realizzato un prototipo di capriata denominata Super Ala che successivamente fu installata per la copertura della NHK Company, (stabilimento della Ltd a Jokoama). Con questa struttura si raggiunsero determinati obiettivi: 1. la riduzione del peso della struttura, che si traduce sostanzialmente in una riduzione dei costi di costruzione; 2. la forza di precompressione può essere applicata come forza costante esterna; 3. la precompressione applicata a una travatura reticolare sostanzialmente incide esclusivamente nella zona inferiore e non influenza gli altri elementi strutturali; 4. la caduta di tensione nei cavi di precompressione risulta inferiore al 5% se lo sforzo di precompressione applicato non supera il 70% del carico di rottura dei cavi Di seguito viene riportata la sintesi dello studio eseguito dai ricercatori giapponesi. 1
Principi strutturali I ricercatori sostanzialmente hanno studiato un tipo particolare di struttura in acciaio tridimensionale da loro denominata la Super Ala. Fig. 3 La caratteristica principale della Super Ala è l utilizzazione della tecnologia della precompressione applicata all acciaio ad una capriata in acciaio a forma di ala di aereo, composta da più travature reticolari montate una accanto alle altre (vedi fig. 5) In figura 3 è indicata la deformata della travatura reticolare dovuta al peso proprio; se si installano nella parte inferiore della travatura dei cavi di precompressione e si tesano, si produce un innalzamento della stessa. I ricercatori nel loro articolo hanno descritto i vantaggi derivanti dalla precompressione delle travature reticolari in acciaio evidenziati nei successivi punti a,b,c. a) Riduzione del peso della struttura Il primo risultato ottenuto dai ricercatori riguarda la riduzione del peso della struttura in acciaio, necessaria a garantire un prefissato livello di sicurezza, ciò è stato messo in evidenza dalla lettura del grafico della fig. 4 dove in ascissa sono riportate le luci e in ordinata le incidenze dei pesi a mq di superficie. Dal grafico di fig. 4 si rileva con chiarezza che maggiore è la luce della copertura da realizzare, maggiore sarà la riduzione del peso della struttura qualora venga utilizzata la tecnologia della precompressione dell acciaio. 2
Questa riduzione di peso strettamente indispensabile per la sicurezza della struttura si traduce ovviamente in quantità di denaro risparmiato per la realizzazione dell opera. Fig. 4 b) Riduzione della larghezza della trave Un secondo risultato importante riguarda la riduzione della larghezza della Super Ala. I ricercatori hanno stabilito che se si progetta una travatura di grande luce in acciaio precompresso si ottiene una risparmio nei pesi e la larghezza trasversale della Super Ala può essere ridotta. Ciò indica che con questo sistema è possibile progettare strutture spaziali piatte con campate lunghe, spesso impossibili da realizzare con la tecnologia usuale. c) Possibilità di impiego in coperture di tipo mobile L ulteriore vantaggio dovuto alla leggerezza della Super Ala ha portato a studiare come sua applicazione, un meccanismo di tetto apribile per saloni di esposizione, stadi sportivi e centri culturali: l illuminazione, la ventilazione, e la visuale in questo caso, possono essere regolati dall apertura e chiusura del tetto in accordo con le condizioni meteoriche. 3
Criteri di precompressione della Super Ala Il progetto della Super Ala prevede la combinazione tra acciaio e cavi di precompressione. I ricercatori durante il loro lavoro hanno ipotizzato che: - Gli elementi dei correnti inferiori vengono sollecitati con una tensione pari alla forza di precompressione, ciò significa che, né i correnti superiori, né gli elementi del graticcio risentono di alcun effetto della precompressione. - Si è misurato che la variazione della forza di precompressione, dovuta alla deformazione degli elementi d acciaio dei correnti inferiori è pressoché nulla, ciò ha portato a schematizzare l effetto della precompressione come una forza esterna costante applicata alla trave. - I cavi di precompressione sono soggetti al fenomeno del rilassamento: per cui è necessario verificare la struttura durante la fase sia di tiro che di esercizio. Fig. 5 Prove strutturali Le considerazioni del paragrafo precedente sono state ricavate sulla base di test effettuati su un modello in scala reale (vedi fig. 6). Fig. 6 4
In questo modello a scala reale gli ancoraggi per i cavi di precompressione furono predisposti ad ogni estremità di ciascuna trave e si effettuò la tesatura con una forza di 100 t. Sono stati utilizzati cavi di precompressione da 12,7 mm ricoperti da guaine in polietilene, predisposti su ciascun lato della trave. In fase di calcolo si era previsto che l introduzione della precompressione avrebbe fatto sollevare la travatura di 27 cm e che il modello avrebbe subito un abbassamento massimo di 43 cm per effetto dei carichi verticali. Su questa base in officina fu data una curvatura di 16 cm verso l alto corrispondente alla differenza tra l abbassamento di 43 cm e l innalzamento di 27 cm. Le modalità di precompressione e carico sono riportate in fig.7. Fig. 7 Tensioni negli elementi durante la precompressione Le tensioni ottenute all aumentare dello sforzo di precompressione nelle sezioni di mezzeria dei correnti superiori e dei correnti inferiori di ogni travatura reticolare, furono riportate nel diagramma di fig. 8. Per t=0, istante iniziale delle nostre osservazioni e a sforzo di precompressione nullo, le travature reticolari si deformano per effetto dell abbassamento indotto, come detto nel paragrafo precedente, ed i correnti inferiori e superiori delle diverse travi lavorano ad una tensione di circa 50 tonnellate. 5
Fig. 8 Aumentando la forza di precompressione, il carico assiale su ogni elemento delle travature varia linearmente. In corrispondenza di una precompressione di 40-50 tonnellate si ha una brusca variazione della tensione (ginocchio) sui correnti superiori ed inferiori. Raggiunto questo punto il carico assiale nei correnti superiori rimane invariato (tratto orizzontale delle curve inferiori) e soltanto gli elementi dei correnti inferiori (curve superiori) sono soggette a una forza assiale, originariamente di trazione, ma adesso di segno opposto (compressione) uguale all incremento di forza di precompressione. Il ginocchio menzionato si raggiunge quando la trave smette di sollevarsi; questo prova che la forza di precompressione impressa nella parte inferiore del travatura, non produce alcun effetto nei correnti superiori. Prova di carico con forza concentrata La Super Ala in scala reale fu caricata al centro della trave B con una forza di 10 tonnellate applicata incrementando man mano la forza di 2 tonnellate. La figura 9 mostra come varia il carico assiale delle travi e delle trecce nella sezione di mezzeria della Super Ala durante tutta la fase di carico. 6
Fig. 9 Come mostra tale figura l incremento della forza di trazione sulle trecce inferiori delle travi, a seguito dell applicazione del carico concentrato di 10 tonnellate, è pari circa al 10% del carico assiale indotto nei correnti inferiori delle travi. Questo incremento non è abbastanza grande da provocare lo snervamento o la rottura del cavo, ciò conduce alla conclusione che la variazione degli sforzi nei cavi di precompressione, per effetto di carichi concentrati applicati, è ininfluente Quindi, il carico assiale, dovuto ai cavi da precompressione ed esercitato sui correnti inferiori, può essere assimilato ad un carico esterno applicato alle capriate in acciaio. Infine furono eseguite in laboratorio delle ulteriori prove per stabilire il comportamento dei cavi da precompressione nei riguardi del fenomeno di rilassamento dei cavi. Tali prove hanno stabilito che la caduta di tensione nei cavi è inferiore al 5% se lo sforzo di precompressione applicato non è maggiore del 70% del carico di rottura dei cavi. Casteldaccia (PA), lì 18.12.2013 Ing. Francesco Solazzo 7