Variabili che interessano strutture su fondazioni profonde

Le considerazioni fatte finora sono valide per strutture a portale su fondazioni superficiali o a setto. Nel caso in cui le condizioni del terreno non permettano di utilizzare questi schemi è necessario utilizzare fondazioni profonde su pali. Questi elementi hanno un’importanza enorme sul comportamento della struttura; maggiore è la rigidezza dei pali e maggiore è il momento che si sviluppa nella connessione con la spalla.

Analisi teoriche e rilievi su opere esistenti hanno dimostrato che in alcuni casi i pali dei ponti integrali raggiungono deformazioni superiori a quelle di snervamento 66_{. Queste deformazioni sono causate principalmente dai carichi}

termici sulla sovrastruttura.

In questo caso i parametri che governano il problema sono tre: • rigidezza del suolo di fondazione;

• rigidezza dei pali;

• rigidezza della connessione palo-spalla.

4.3.3.1 Rigidezza del suolo di fondazione

Un terreno più rigido comporta una riduzione della capacità di spostamento del palo e della massima lunghezza del ponte 67_.

4.3.3.2 Rigidezza dei pali di fondazione

La rigidezza dei pali: dipende dal materiale e dal tipo di sezione utilizzata. Il materiale più utilizzato è l’acciaio, dato che il calcestruzzo presenta alcune limitazioni. Le sezioni più utilizzate sono quelle ad H, ma ne esistono altre:

Figura 4.22: Diversi tipi di sezione per i pali di fondazione 68_.

66 _{(Lock, 2002).}

67 _{(Feldmann, et al., 2010).} 68 _{(Feldmann, et al., 2010).}

4. Problematiche dei ponti 4.3.3.2.1 Pali in acciaio

Possono sopportare tensioni cicliche fino al loro valore di snervamento, a patto di non raggiungere fenomeni di instabilità locale. Se i pali hanno sufficiente capacità rotazionale è possibile la formazione di cerniere plastiche, allora è possibile raggiungere deformazioni superiori a quelle di snervamento. Tuttavia deformazioni plastiche possono portare a rottura per fatica dopo pochi cicli di carico.

Le sezioni più utilizzate sono quelle ad H. La disposizione lungo l’asse forte o debole è oggetto di studi, anche se si preferisce quella lungo l’asse debole. La ragione principale è quella di minimizzare gli sforzi sulla spalla, in accordo a quanto detto finora sull’influenza della rigidezza.

Le sezioni circolari cave sembrano resistere alle azioni cicliche, ma portano alla manifestazione di problemi strutturali sulle spalle 69_;

4.3.3.2.2 Pali in calcestruzzo armato

Sono spesso utilizzati in costruzioni corte negli USA. Sono sconsigliati a causa della loro scarsa resistenza a trazione e della loro fragilità. Gli spostamenti laterali dovuti ai carichi ciclici inducono alla formazione di fessure sulla testa del palo, con conseguente riduzione della capacità portante verticale. Molti paesi degli USA hanno stabilito come limite massimo per il loro impiego una lunghezza massima del ponte di 61 m.

4.3.3.2.3 Pali a sezione mista acciaio calcestruzzo

Si tratta di sezioni circolari cave in acciaio riempite di calcestruzzo. La loro elevata rigidezza impone che siano utilizzati su luci brevi. Il Dipartimento dei Trasporti dello stato del Minnesota impone una lunghezza massima di 45 m.

4.3.3.3 Rigidezza della connessione spalla-palo

È possibile realizzare:

• connessioni rigide (incastri): trasmettono sforzi normali, di taglio e momenti. È possibile realizzare questi giunti annegando la testa dei pali in un cordolo di calcestruzzo e fissando le travi d’impalcato al cordolo stesso con dei bulloni. Se la spalla è gettata in opera è possibile ricoprire la testa delle travi con un getto di calcestruzzo.

Un’altra tecnica molto utilizzata negli Stati Uniti è quella di saldare la testa del palo direttamente alla trave d’impalcato. Questa tecnica non comporta alcun miglioramento prestazionale e pertanto è stata sconsigliata per la sua

4. Problematiche dei ponti

difficoltà di realizzazione;

• connessioni flessibili (cerniere): trasmettono sforzi normali e di taglio. I metodi per la loro realizzazione sono molteplici.

Figura 4.23: Esempio di una spalla fondata su pali incernierati 70_.

Nel caso di pali in calcestruzzo si possono utilizzare dei perni in acciaio galvanizzato annegati nel palo e nel cordolo. Fogli di polistirene vengono posti tra i due elementi per permettere le rotazioni del cordolo senza provocare lo schiacciamento del calcestruzzo.

Figura 4.24: Esempio di giunto a cerniera tra pali in calcestruzzo e cordolo 71_.

Nel caso di pali in acciaio il Dipartimento dei Trasporti dello stato della Virginia preferisce utilizzare pali ad H disposti con asse debole ortogonale alla direzione del ponte. La particolarità di questa connessione sta nella posizione della cerniera, non più all’interfaccia palo-cordolo, ma posta direttamente nella spalla. Inizialmente il giunto era sagomato come un perno, rinforzato da chiavi a taglio in acciaio. Dopo alcuni studi condotti da Arsoy e Weakley (rispettivamente 2000 e 2005) la connessione venne modificata; il perno in calcestruzzo fu eliminato e lungo la superficie furono introdotti strati di gomma e neoprene per permettere le rotazioni relative tra le due estremità. Il giunto è stato testato nei confronti di carichi statici e ciclici senza mostrare alcun segno di fatica dopo 27000 cicli, che equivalgono a i movimenti causati da carichi termici nel corso di 75 anni.

70 _{(Connal, 2004).}

4. Problematiche dei ponti

Figura 4.25: Giunto a cerniera ideato dal Dipartimento dei Trasporti dello stato Virginia, modello iniziale a sinistra e modificato a destra 72_.

Con gli anni sono state progettate altre tipologie di giunzione a cerniera più o meno performanti.

4.3.3.4 Prove sperimentali condotte da Feldmann, et al., 2010

Le variazioni di temperatura costituiscono il problema principale dei ponti integrali. Ogni anno queste strutture sono soggette a 365 cicli giornalieri di carico, con massimo nel giorno più caldo e minimo nel giorno più freddo. Per capire il comportamento dei pali di fondazione soggetti a questi carichi ciclici sono stati condotti numerosi test nel laboratorio dell’ULg di Liegi.

In particolare Feldmann et al. nel rapporto “Economic and durable design of composite bridges with integral abutments” ha condotto dei test su tre tipi di connessione 73_:

• profili ad H in acciaio, connessione rigida (HPR); • profili ad H in acciaio, connessione a cerniera (HPH); • paratie (2 alternative: SP1, SP2).

Per ciascuno dei tre sistemi sono state condotte: • prove statiche;

• prove a passo multiplo; • prove cicliche.

Le prove statiche sono state condotte con uno spettro di carico sinusoidale e servono a determinare la curva forza-spostamento e la massima resistenza di ciascuna connessione.

In un secondo momento sono state effettuate prove a passo per determinare le stesse informazioni precedenti in campo dinamico. Infine è stato applicato uno spettro di carico ciclico per determinare le capacità resistenti a fatica.

Trascurando le modalità di esecuzione e i dati di input forniti, si riportano le

72 _{(Feldmann, et al., 2010).} 73 _{(Feldmann, et al., 2010).}

4. Problematiche dei ponti

conclusioni ottenute per ciascun sistema.

4.3.3.4.1 Profili ad H in acciaio, connessione rigida (HPR)

La rigidezza iniziale del sistema non si riduce nel corso degli anni. Nonostante la sezione utilizzata nei test fosse di classe 4 nei confronti della flessione, non si sono manifestati fenomeni di instabilità locale e pertanto è stato possibile attingere alla capacità rotazionale della sezione compatta.

Deformazioni maggiori dovute a instabilità devono essere messe in conto nel caso di calcoli a fatica. A tal proposito è stato sviluppato un metodo di calcolo da Maruri et al., 2005 e Conboy et al., 2005.

4.3.3.4.2 Profili ad H in acciaio, connessione a cerniera (HPH)

La connessione dimostra un ottimo comportamento nei confronti di tutti i carichi. Il comportamento della cerniera è perfetto, nessun momento è trasferito attraverso il giunto. Le tensioni locali di trazione sono basse e quindi non si hanno problemi di fessurazione.

I test ciclici non mostrano segni di fatica dopo più di 43800 cicli, corrispondenti ai movimenti indotti da azioni termiche nell’arco di 120 anni.

Il calcestruzzo in prossimità della cerniera non si fessura, l’acciaio non mostra segni di fatica.

4.3.3.4.3 Paratie

I test condotti hanno mostrato una riduzione del momento totale sostenibile dalla connessione.

La rigidezza del sistema decresce nel tempo dopo un certo numero di cicli e può essere calcolata con la seguente formula:

𝑘 = 𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒 𝑀𝑆𝑇,𝑢𝑝+ 𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝑀𝑆𝑇,𝑑𝑜𝑤𝑛 𝑑𝑖𝑠𝑝(𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝑀𝑆𝑇,𝑢𝑝)+ 𝑑𝑖𝑠𝑝(𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝑀𝑆𝑇,𝑑𝑜𝑤𝑛)

Inoltre è stato misurato uno slittamento tra le paratie e la spalla. Tutte queste considerazioni spingono gli autori a effettuare ulteriori studi sui dettagli di questa connessione.

5. Modalità di analisi consigliate in letteratura

5 Modalità di analisi consigliate in letteratura

L’analisi globale di un ponte integrale differisce da quella degli altri ponti poiché le spalle sono rigidamente connesse alla sovrastruttura. Di conseguenza le forze orizzontali e gli spostamenti sono trasferiti dalla sovrastruttura alle spalle e nel caso di fondazioni profonde fino ai pali.

Nel seguente capitolo di propongono alcuni metodi ritenuti in grado di considerare il comportamento della struttura collaborante con il terreno dietro le spalle. In primo luogo si fa riferimento ad approcci semplificati; successivamente si considera un approccio agli elementi finiti.