Trave Prefabbricata REticolare Mista (PREM)

4.1 Introduzione

Nell’ottica di voler progettare una tipologia di ponte il più economica possibile in termini di costruzione, esercizio e mantenimento si è pensato di utilizzare materiali edili prefabbricati in modo tale da conseguire tutta una serie di vantaggi che di seguito verranno elencati.

La scelta è ricaduta sull’utilizzo di travi REP® (Rapidità, Economicità e Praticità) o PREM (Prefabbricata REticolare Mista).

Prima di dare alcuni cenni storici sulla nascita ed il comportamento statico di queste strutture reticolari miste è utile distinguerle dalle ordinarie strutture in c.a. per mezzo della metafora espressa dal Prof. E. Giangreco. La struttura ordinaria in c.a. viene paragonata ad un moderno menages familiare “dove i due coniugi collaborano in misura adeguata alle proprie possibilità di accollarsi gli

oneri esterni, il loro sforzo aumenta all’aumentare del sovraccarico di lavoro e l’impegno comune va avanti fino all’esaurimento delle proprie risorse contemporaneamente o in tempi successivi fino a che l’uno raggiunge le condizioni di collasso già raggiunte dall’altro”.

La struttura mista, invece, viene paragonata ad un rapporto familiare “anacronistico”, in cui per poter far fronte alle necessità dell’elemento resistente che hanno costituito, utilizzano l’uno le risorse dell’altro in momenti diversi. Inizialmente il calcestruzzo vive di rendita, la struttura metallica sopporta da sola gli oneri esterni, finché questo giunge a maturazione e ha la capacità di accollarsi parte degli oneri esterni e parte dell’aumento del sovraccarico di lavoro.

Proprio questa caratteristica di auto-portanza iniziale rende questa tecnologia interessante per la costruzione di ponti, nei quali il progetto del varo della struttura assume uguale importanza della progettazione della stessa struttura.

Un altro fattore interessante, che ha portato a preferire questa soluzione rispetto alle ordinarie strutture miste utilizzate per le infrastrutture stradali, è stato la possibilità di creare l’incastro (inghisaggio) delle travi e della soletta con le sottostrutture del ponte, ottenendo la tipologia di ponte integrale auspicata.

66

4.2 Cenni storici

Le prime strutture miste furono adottate agli inizi del 1900. Realizzate incorporando nel calcestruzzo profilati metallici che garantivano la collaborazione tra i due materiali mediante estese superfici di aderenza.

Negli anni trenta il sistema costruttivo si è evoluto limitando il calcestruzzo ad una soletta collegata con ancoraggi alle travi metalliche. Il suo utilizzo è aumentato grazie anche alla ricezione di tale tipologia costruttiva prima dalla AASHO nel 1944 e successivamente nelle norme tedesche DIN. L’interesse per questa tecnologia è progressivamente aumentato grazie a nuovi studi teorici e sperimentali che hanno consentito di ottimizzare i materiali, sviluppare nuove tecniche costruttive e semplificare gli aspetti costruttivi che incidevano sui costi di produzione. Questi fattori resero il sistema costruttivo finalmente concorrenziale rispetto ai metodi di costruzione tradizionali nel campo delle strutture da ponte.

A questo punto, nel 1962 l’Ing. Leone pensò di trasferire la tecnologia della struttura mista dalle infrastrutture all’edilizia residenziale, ottimizzandola in relazione alle prestazioni richieste.

Si rese conto che la sezione normale della trave di acciaio utilizzata nei ponti era sovrabbondante rispetto alla capacità resistente richiesta.

Mantenendo quindi il piatto inferiore, andò a ridurre l’anima della trave ad una struttura reticolare monopiano con elementi piatti e sostituì la piattabanda superiore con un solo ferro di sezione tonda. I vantaggi furono quelli di poter produrre direttamente in officina le travi, che poi venivano messe in opera facendo poggiare i solai direttamente sul fondello in acciaio, riducendo i costi di costruzione in termini di tempo e materiale per la sistemazione dei casseri e puntelli in cantiere. Il sistema permetteva di coprire il piatto di acciaio inferiore con uno strato di laterizio.

Il brevetto finale della trave arrivò nel 1967.

67

Trave autoportante Brevetto REP® (“Teoria e pratica delle strutture” vol.II; P. Pozzati-ed. UTET).

La commercializzazione della trave fu ad opera dell’azienda Strutture Edili Prefabbricate (SEP) che diede il proprio nome a queste travi distribuendole per alcuni anni in tutta Italia. Dopo il fallimento della SEP, il marchio che più si diffuse fu l’odierna Trave REP®.

Le applicazioni di questa tecnologia furono ampliate dall’Ing. Leone che brevettò anche la trave fuori spessore, con due o più piani d’anima a V rovescia e con tre o più correnti superiori. Poterono, quindi, essere realizzate travi da ponte e travi di grande luce.

Trave REP® sottosporgente dal solaio (Prontuario travi REP®, Tecnostrutture).

Verso la fine degli anni’70 la produzione si ampliò ulteriormente. Alla tipologia di trave con piatto inferiore di acciaio si affiancò la trave con zoccolo in calcestruzzo pregettato definita Trave lastra, introdotta dall’Ing. Izzo. Nello stesso periodo venne introdotta la Trave Solaio (lastra predalles) come soluzione per gli impalcati da ponte con forte peso proprio di getto e luci importanti.

68

4.3 Normative applicabili alla progettazione

Il dimensionamento delle travi reticolari miste deve essere valutato in due fasi differenti, approfondito nel successivo paragrafo.

Durante la prima fase, dalla messa in opera sino al consolidamento del getto di calcestruzzo, l’auto-portanza dell’elemento è completamente affidata alla reticolare di acciaio, per cui si applicano norme e codici di calcolo relativi alle strutture metalliche:

- DM 14.01.2008 §4.2 “Costruzioni in acciaio”; - EC 3 “Progettazione delle strutture in acciaio”;

- CNR m. 182 – 1997 “Costruzioni in acciaio. Istruzioni per il calcolo. L’esecuzione, il collaudo e la manutenzione”.

In seconda fase, avvenuta la maturazione del calcestruzzo, la trave reticolare viene considerata come un elemento monolitico misto in cui acciaio e calcestruzzo collaborano assieme alla soletta considerata collaborante. E’ necessario però distinguere la categoria strutturale cui appartiene la trave in oggetto.

Le procedure ministeriali individuano tre categorie:

a) Strutture composte acciaio-calcestruzzo;

b) Strutture in calcestruzzo armato normale o precompresso;

c) Strutture non riconducibili ai principi, alle definizioni, ai modelli di calcolo e ai materiali delle due categorie sopra elencate.

Categoria A

Ricadono in questa categoria le travi realizzate unicamente con acciaio per carpenteria metallica, sia esso utilizzato per profili tondi, quadri o profili angolari. Tali elementi prefabbricati seguono le prescrizioni delle strutture composte in acciaio-calcestruzzo. L’eventuale fondello prefabbricato può essere in acciaio o calcestruzzo armato.

- DM 14.01.2008 §4.3 e §7.6 “Costruzioni composte acciaio – calcestruzzo”. - EC 4 “Progettazione delle strutture composte acciaio – calcestruzzo”;

- CNR 10016 n.196 “Strutture composte di acciaio e calcestruzzo. Istruzioni per l’impiego nelle costruzioni”;

69

Categoria B

Ricadono in questa categoria le travi i cui elementi (correnti longitudinali ed aste di parete) sono realizzati con tondi in acciaio da c.a.

Le travi risultanti seguiranno, quindi, le prescrizioni relative alle strutture in calcestruzzo armato. Le Procedure Ministeriali prevedono comunque la possibilità di utilizzare acciaio da carpenteria per sostenere le sollecitazioni di Fase1, ma in questo caso non è ammesso tener conto del suo contributo nella fase finale di funzionamento. L’eventuale fondello prefabbricato può essere in acciaio o calcestruzzo armato.

- DM 14.01.2008 §4.1 e §7.4 “Costruzioni di calcestruzzo”. - EC 2 “Progettazione delle strutture in calcestruzzo”;

Categoria C

Strutture non riconducibili ai principi, alle definizioni, ai modelli di calcolo e ai materiali delle due categorie sopra indicate.

- DM 14.01.2008 §4.6 “Costruzioni di altri materiali”.

4.4 Comportamento statico e descrizione generale dell’elemento strutturale

Come anticipato precedentemente, il comportamento statico delle travi reticolari miste è collegato ai diversi momenti in cui svolge la completa funzione strutturale.

In una fase iniziale, fino al consolidamento del calcestruzzo, la trave si comporta come una struttura reticolare metallica e lo schema statico di rifermento è quello di una trave in semplice appoggio. Lo sforzo è quindi assorbito da anima e correnti ed il calcestruzzo non ha alcuna resistenza, il quale essendo ancora fluido costituisce solo un carico.

Si verificano in questa fase l’instabilità di tipo locale delle aste compresse (aste di parete e corrente compresso) e l’instabilità globale della trave (svergolamento laterale del corrente superiore compresso). In questa fase sulla trave gravano il peso proprio del traliccio, il peso del getto di calcestruzzo e il peso del solaio.

Nella seconda fase, a getto solidificato, la trave è solidarizzata con le strutture portanti contigue (travi e pilastri) e lo schema statico da isostatico passa ad iperstatico. I carichi agenti sono aggiuntivi rispetto a quelli considerati nella fase precedente, ovvero la quota parte dei pesi propri dei solai che prima gravavano sui puntelli, i permanenti portati, gli eventuali carichi concentrati e sovraccarichi

70

variabili. Le verifiche di resistenza dovranno tenere conto della collaborazione tra i due materiali secondo le norme previste dalla categoria di appartenenza della trave.

I principali elementi che costituiscono una generica trave reticolare mista sono (Izzo et al, 2008): - Corrente inferiore. Può essere costituito da un piatto di acciaio oppure da profili (tondi o

quadri) di acciaio inglobati in un getto di calcestruzzo o ricoperti da un basamento in laterizio.

- Anima: E’ costituita da un traliccio semplice o multiplo composto da elementi a V con passo

variabile, compreso generalmente tra i 20 cm e 60 cm. Il primo passo viene assunto pari alla metà di quello standard; gli altri passi sono tutti uguali per l’intera lunghezza della trave. L’elemento d’anima realizzato con profili tondi o quadri può essere realizzato con una singola barra singola opportunamente sagomata, o composto da singoli elementi.

- Corrente superiore. È composto da un numero variabile di ferri tondi o quadri, generalmente

di ugual diametro, saldati ai vertici superiori delle anime.

- Apparecchio di appoggi. Viene realizzato da due o più ferri tondi affiancati e saldati al piatto

in corrispondenza delle due testate, sporgenti da esso e saldati di testa ad una piastra trasversale. Tale dettaglio costruttivo funge da dispositivo anti-ribaltamento durante la fase di montaggio dei solai. Nella seconda fase, invece, ha la funzione di dispositivo di ancoraggio atto a resistere alle azioni di scorrimento tra calcestruzzo e trave metallica.

Oltre a questi elementi costitutivi generali possono essere presenti anche:

- Distanziatori del corrente superiore. Vengono utilizzati quando il numero degli interferri tra i

ferri del corrente superiore supera quello delle aste di parete. Sono composti da corti conci di ferro tondo posti tra i ferri del corrente superiore.

- Calastrelli del corrente superiore. Sono composti da corti conci di ferro tondo posti

ortogonalmente e sotto ai ferri del corrente superiore. Limitano l’instabilità dei ferri compressi nel loro piano.

- Controventi delle anime. Sono costituiti da ferri tondi saldati alle anime che realizzano un

traliccio reticolare orizzontale che controventa le stesse. In corrispondenza degli appoggi estremi, per ciascun traliccio orizzontale, vengono inserite due coppie di ferri formanti una croce di S. Andrea per ciascuna testata.

- Angolari d’appoggio per solai prefabbricati. Usati nel caso di travi fuori spessore (di solaio),

collegati fra le due facce della trave da ferri saldati di diametro variabile.

- Armature integrative. Permettono la continuità strutturale con la trasmissione di momento

71

4.4.1 Analisi dei carichi

In relazione alle diverse Fasi (di vita) della trave PREM l’analisi dei carichi e delle sollecitazioni dovrà seguire l’ordine cronologico della posa in opera della stessa. Si distinguono quindi i carichi agenti in (la seguente descrizione fa già riferimento al caso studio affrontato al Capitolo 7):