CAPITOLO 2 – Soluzioni per l’attraversamento
2.1
Scelta della tipologia strutturale
Determinata la quota del pelo libero all’interno dell’alveo, per mezzo dello studio idraulico, e fissato il franco di sicurezza è possibile individuare la soluzione più appropriata alla realizzazione dell’attraversamento. In virtù della pericolosità idrogeologica del sito in esame (messa particolarmente in evidenza dagli eventi di piena verificatisi) le soluzioni prese in considerazione prevedono l’adozione di una struttura a via inferiore, avente una luce pari a 100 metri, con sottostrutture poste al di fuori della zona principale di deflusso. Più precisamente si considereranno delle soluzioni che risolvono l’attraversamento attraverso tipologie strallate o mediante soluzioni in sistema combinato arco-trave. Per ciascuna delle due tipologie si esegue un’analisi qualitativa, disegnando in via preliminare la geometria degli impalcati e le dimensioni caratteristiche delle membrature principali, procedendo poi all’inserimento delle diverse strutture nell’ambiente esistente per valutare la tipologia che più si armonizza a livello paesaggistico.
2.2
Analisi della soluzione strallata
La prima tipologia strutturale che analizziamo per il superamento del corso d’acqua è quella strallata. Gli elementi che maggiormente condizionano l’aspetto del ponte strallato sono rappresentati dalla geometria dei piloni, del sistema di sospensione (stralli) e dall’impalcato. La soluzione proposta prevede l’adozione di un solo pilone su riva sinistra inclinato verso la medesima e disposto a una distanza dalla spalla sinistra di 30 metri e da quella destra di 70 metri. La lunghezza dell’impalcato risulta quindi pari a 100 metri. Il sistema di sospensione è doppio e ha distribuzione degli stralli ad arpa ventaglio con la zona di attacco estesa su un certo tratto della cima del pilone in modo da facilitare l’esecuzione dei dettagli costruttivi. Il deck è di tipo chiuso a cassone per assorbire gli sforzi normali trasmessi dagli stralli e favorirne la stabilità. Per la definizione dell’altezza del pilone e dello spessore d’impalcato si è fatto riferimento a valori tipici del rapporto luce-altezza riportati in letteratura e desumibili dall’analisi
delle strutture esistenti. Per questa tipologia si hanno in genere i seguenti rapporti di forma1:
Rapporto tra la luce e l’altezza del pilone sopra l’impalcato: =3÷4 H
L
Rapporto tra la luce e l’altezza dell’impalcato: =60÷80 h
L
Nella soluzione proposta l’altezza del pilone, sopra l’impalcato, è pari a 35 metri mentre lo spessore dell’impalcato è di 1,25 metri. Il rapporto L/H è quindi pari a 2,86 mentre il rapporto L/h vale 80. Si hanno quindi un pilone molto alto e un impalcato snello. L’aspetto del ponte è quindi molto legato a quello del pilone. L’altezza del pilone è all’incirca pari alla lunghezza della luce di sinistra e metà di quella di destra, il numero degli stralli per lato è pari a 15: 7 ancorati sulla luce di sinistra 1 verticale e 7 sulla luce di destra di modo che gli attacchi si corrispondano a coppie. Il pilone è inclinato di modo che sia disposto secondo la bisettrice degli stralli. Con queste assunzioni di base sono state disegnate due soluzioni con diversa forma del pilone e geometria degli stralli che vengono in seguito riportate.
Figura 2.1: Prospetto e sezione del ponte strallato con pilone ad arco ellittico e distribuzione degli stralli ad arpa-ventaglio
Figura 2.2: Prospetto e sezione del ponte strallato con pilone ad A e distribuzione degli stralli ad arpa-ventaglio
1
“I ponti strallati di grande luce ” Fabrizio De Miranda Capitolo 12 pag. 448, Ed. Scientifiche
2.3
Analisi della soluzione collaborante arco trave
La seconda tipologia strutturale presa in considerazione è costituita dallo schema collaborante arco-trave irrigidente. Questa tipologia si presta in particolar modo all’attraversamento cosiddetto a raso grazie alla posizione superiore dell’arco e all’altezza limitata della trave di impalcato.
Per i ponti di questo genere è possibile definire in via preliminare le dimensioni dei diversi elementi strutturali in funzione della luce basandosi sui rapporti geometrici disponibili in letteratura tecnica e di seguito riportati:
Rapporto tra la luce e l’altezza dell’arco: =4÷8
H L
Rapporto tra la luce e l’altezza dell’impalcato: =50÷70
i
h L
Rapporto tra la luce e l’altezza della sezione dell’arco: =50÷100
a
h L
Nel seguito si analizzano alcune possibili soluzioni considerando geometrie con doppio e singolo arco. La diversa conformazione del ponte nei due casi ha importanti conseguenze sulla statica generale della struttura. Nel caso in cui la trave d’impalcato sia supportata da due archi gemelli si può impiegare un deck di tipo aperto: l’impegno torsionale si traduce in un incremento di compressione di uno degli archi e della relativa trave irrigidente mentre la stabilità degli archi può essere vantaggiosamente ottenuta attraverso un controventamento superiore di tipo reticolare o virendeel portalizzando la struttura. Nel caso in cui la trave sia sostenuta da un singolo arco, l’impegno torsionale deve essere assolto dalla trave d’impalcato che deve quindi essere torsiorigida. Si possono allora utilizzare per la realizzazione della trave d’impalcato, soluzioni con graticci di travi controventate inferiormente o soluzioni con cassoni torsiorigidi, mono o pluricellulari. Il diverso impegno a torsione della travata nelle due soluzioni orienta verso spessori maggiori della travata nell’ipotesi di arco singolo.
Nel caso di travata supportata da un singolo arco la stabilità fuori dal piano dell’arco, viene in genere ottenuta utilizzando sezioni dotate di notevole inerzia fuori piano, in questi casi l’arco è quindi più largo che alto.
1) Soluzione con archi gemelli tubolari riuniti in mezzeria:
In questo caso l’attraversamento è risolto mediante uno schema collaborante arco-trave irrigidente dotato di due archi gemelli tubolari a sezione circolare inclinati che si riuniscono nella mezzeria del ponte
in un unico arco.
Gli archi s’impostano su due travi di riva a cassone che svolgono la duplice funzione di catena dell’arco e armamento principale del deck, costituito da una piastra ortotropa.
La trave e l’arco sono connessi da una cortina di venti pendini disposti all’interasse di circa 5 metri. Per questa soluzione sono stati adottati i seguenti rapporti geometrici:
Rapporto tra la luce e l’altezza dell’arco: =5
H L
Rapporto tra la luce e l’altezza dell’impalcato: =80
i
h L
Rapporto tra la luce e l’altezza della sezione dell’arco: =100
a
h L
Perciò essendo la luce pari a 100 metri, la freccia è pari a 20 metri, l’altezza dell’arco 1 metro e lo spessore della travata pari a 1,25 metri.
2) Soluzione con archi gemelli scatolari riuniti in mezzeria: La soluzione si presenta
formalmente analoga alla precedente con la differenza che gli archi sono realizzati mediante una sezione a cassone con il risultato di un diverso aspetto estetico.
Figura 2.4: Prospetto e sezione del ponte arco trave con archi gemelli scatolari riuniti in mezzeria
3) Soluzione con archi gemelli tubolari controventati:
In questo caso il problema è risolto attraverso una soluzione a due archi, sempre come in precedenza, ma con la differenza che gli archi non sono riuniti in mezzeria conservando la loro indipendenza. Per garantire la stabilità si prevede una connessione trasversale tipo Virendeel tale da
portalizzare gli archi. Questa soluzione presenta rispetto alla precedente alcuni vantaggi: poiché gli archi non sono riuniti, la realizzazione delle sezioni dell’arco
nella zona centrale si presenta meno complessa che nei casi precedenti, inoltre la minor inclinazione degli archi consente di avere un ingombro trasversale del ponte maggiormente contenuto.
4) Soluzione con arco singolo centrale:
In questo caso l’attraversamento è risolto mediante una soluzione collaborante arco trave dotata di un singolo arco
disposto nella mezzeria della sezione del ponte. L’impalcato deve essere torsiorigido ed è perciò costituito da una sezione a cassone. Anche l’arco presenta una sezione a
cassone avente altezza di 1 metro e larghezza di 2 metri per fornire inerzia fuori piano. Si fa osservare che nel caso in cui si adotti un singolo arco, rispetto alle soluzioni con due archi, vi è la necessità di separare la carreggiata in corrispondenza del ponte. Per la soluzione ad arco singolo sono stati adottati i seguenti rapporti geometrici:
Rapporto tra la luce e l’altezza dell’arco: =5
H L
Rapporto tra la luce e l’altezza dell’impalcato: =50
i
h L
Rapporto tra la luce e l’altezza della sezione dell’arco: =100
a
h L
Perciò essendo la luce pari a 100 metri, la freccia è pari a 20 metri, l’altezza dell’arco 1 metro (la larghezza viene assunta doppia pari a 2 metri) e lo spessore della travata pari a 2 metri.
5) Soluzione con arco singolo disposto inclinato rispetto alla carreggiata: Consideriamo ora una
soluzione non convenzionale che prevede l’asse dell’arco disposto inclinato rispetto all’asse della carreggiata. Questa particolare geometria consente di riunire alcuni pregi delle soluzioni ad archi
gemelli e ad arco singolo centrale. Prima di tutto l’impiego di un singolo arco, per il sistema di sospensione, alleggerisce l’opera che presenta quindi una maggior trasparenza rispetto alla soluzione a due archi ed essendo poi l’arco disposto trasversalmente all’asse della carreggiata, non vi è la necessità di sdoppiarla cosi come accade per le soluzioni ad arco singolo centrale. Da un punto di vista statico è poi possibile realizzare un doppio sistema di sospensione e adottare quindi un impalcato non torsiorigido anche se poi, come vedremo, tale soluzione comporta problemi per la stabilità dell’arco. L’arco può essere disposto sia esternamente che internamente all’impalcato. Nel caso in cui l’arco sia disposto esternamente all’impalcato, cioè impostato su fondazioni indipendenti, non è possibile sfruttare l’impalcato per assorbire la spinta dell’arco, che grava allora sulle fondazioni esterne. Se invece l’arco è impostato sull’impalcato, è possibile utilizzare questo ultimo come catena per assorbire la spinta. Se nel caso del sistema collaborante arco trave classico, con arco in asse alla trave, è possibile disporre l’asse dell’arco secondo una forma tale che sotto i carichi centrati (permanenti o mobili comunque uniformi) l’arco sia prevalentemente compresso, ciò non è possibile se l’asse dell’arco è disposto obliquamente rispetto all’asse della carreggiata. In questo caso, infatti, l’arco risulta, anche nel caso dei soli carichi permanenti e mobili uniformi, sempre soggetto a momenti flettenti sia nel suo piano che fuori piano, necessitando quindi di un maggior spessore delle sezioni per fronteggiare i carichi applicati. Nel caso in cui l’arco sia impostato su fondazioni indipendenti, va poi ricordato che trattandosi di una struttura iperstatica, in caso di
cedimenti differenziali delle imposte si avrebbero variazioni dello stato di sollecitazione nell’arco, in particolare cadute di spinta con incremento dell’impegno flessionale. In zone sensibili a dissesti idrogeologici è allora bene evitare strutture di questo tipo affidandosi a schemi esternamente isostatici, insensibili ai cedimenti differenziali. Ciò guida la scelta verso una soluzione con arco impostato sulla trave d’impalcato. Ai vantaggi dell’arco singolo inclinato, quali la maggior trasparenza rispetto alla soluzione con archi gemelli e la caratteristica di non dovere sdoppiare la carreggiata come per la soluzione ad arco singolo centrale, si contrappongono alcune problematiche quali l’impossibilità di far lavorare a sola compressione l’arco sotto i carichi centrati (permanenti e mobili uniformi), nonché una certa difficoltà nella definizione della geometria complessiva della struttura per garantire il transito della sagoma limite sull’impalcato. Infatti, la disposizione inclinata dell’arco e la conseguente disposizione non ordinaria del doppio sistema di sospensione producono una struttura che può interferire con il transito inferiore dei veicoli. Occorre allora un attento studio tridimensionale del ponte per evitare intersezioni tra la sagoma limite e gli elementi strutturali (arco e pendini). Infine rispetto alle classiche soluzioni ad arco singolo e ad archi gemelli, per i quali la calcolazione può avvenire mediante semplici modelli manuali, per la soluzione ad arco inclinato si richiede necessariamente uno studio tridimensionale completo della struttura agli elementi finiti, siccome non è possibile ricorrere a modelli più semplici per la sua corretta analisi strutturale. Ne deriva dunque un onere di calcolo notevolmente superiore a quello necessario per lo studio delle soluzioni ad arco trave ordinarie. Nel caso della soluzione con arco singolo, disposto trasversalmente all’impalcato, sono stati adottati i seguenti rapporti geometrici:
Rapporto tra la luce e l’altezza dell’arco: =4,44
H L
Rapporto tra l’altezza dell’arco e la larghezza dell’impalcato: =1,28
imp
L H
Rapporto tra la luce e l’altezza dell’impalcato: =66,67
i
h L
Rapporto tra la luce e l’altezza dell’arco in mezzeria: =80
a
h L
Perciò essendo la luce pari a 100 metri, la freccia è pari a 22,5 metri, l’altezza dell’arco è di 1,25 metri e lo spessore della travata è pari a 1,5 metri.
Figura 2.7: Pianta e prospetto della soluzione ad arco singolo inclinato e trave collaborante
Il rapporto tra la luce e l’altezza dell’arco, per questo genere di strutture, è piuttosto basso, cioè l’arco è particolarmente alto rispetto alla luce. Ciò è necessario perché l’arco non interferisca con la sagoma limite: in pratica più l’altezza dell’arco aumenta più grande è l’altezza disponibile per transito dei veicoli sul ponte. Un altro rapporto geometrico rilevante è quello tra l’altezza dell’arco e la larghezza dell’impalcato: all’aumentare della luce
dell’impalcato, affinché sia possibile iscrivere la sagoma limite al di sotto dell’arco e del sistema di sospensione, è necessario aumentare l’altezza dell’arco.
Figura 2.8: Sezione trasversale della soluzione ad arco singolo inclinato e trave collaborante
Il problema dell’iscrizione della sagoma limite, al di sotto dell’arco e del sistema di sospensione, può quindi essere risolto adottando bassi valori del rapporto L/H cioè altezze dell’arco elevate. Vi sono però problemi di natura estetica e statica, in particolare legati alla stabilità dell’arco, che consigliano di non assumere valori troppo bassi per questo rapporto. In definitiva dagli studi effettuati sono risultati ottimali i seguenti parametri: L/H = 4,5 ; H/Limp = 1,25 ; L/hi = 65 e L/ha = 80.
2.4
Confronto tra le soluzioni proposte
Da un punto di vista tecnico per la realizzazione dell’attraversamento mediante la tipologia strallata, ai fini del contenimento della luce dell’opera, è necessario costruire il basamento del pilone all’interno dell’alveo di piena. Ciò potrebbe comportare problemi di escavazione alla base dell’opera di cui tener debitamente conto in fase di progetto. L’adozione della tipologia arco trave permette invece di non avere sottostrutture in alveo potenzialmente soggette a fenomeni erosivi.
Per quanto riguarda l’aspetto estetico, il ponte strallato presenta un’altezza molto maggiore di quella del ponte ad arco trave. A parere personale tale aspetto mal si armonizza con l’ambiente circostante poco antropizzato e caratterizzato dalla presenza di edifici isolati di bassa altezza rendendo quindi il ponte strallato eccessivamente impattante. La soluzione arco trave che affonda le sue radici nel passato si presta a essere inserita in un contesto naturale come quello in esame, riprendendo sostanzialmente la forma del vecchio ponte e armonizzandosi in modo più convincente all’intero contesto. Per le ragioni che sono state poste in evidenza la soluzione più convincente, alla risoluzione l’attraversamento, appare quella ad arco trave.
Se poi si analizzano le diverse soluzioni ad arco-trave proposte, si osserva che l’utilizzo di una struttura ad archi inclinati indipendenti presenta rispetto a quella con archi riuniti innegabili vantaggi. Nel caso in cui si utilizzino due archi riuniti, poiché la larghezza della carreggiata è modesta, è necessario che gli archi siano piuttosto inclinati per rispettare le sagome d'ingombro dei veicoli. Ciò comporta allora una maggior larghezza dell’impalcato rispetto al caso in cui si utilizzino due archi separati. È dunque necessario utilizzare un maggior quantitativo di materiale, in virtù dell’aumento di larghezza dell’impalcato, inoltre tale materiale viene mal impiegato a causa degli effetti
di shear-lag che riducono la collaborazione della lamiera all’aumentare della luce tra le travi principali.
La soluzione ad arco singolo presenta un ingombro trasversale simile alla soluzione con archi gemelli controventati ma rispetto a questa ha una maggiore trasparenza del sistema arco sospensione, di contro obbliga a dover sdoppiare la carreggiata.
Infine la soluzione con arco singolo inclinato riunisce i vantaggi delle due soluzioni precedenti, dunque una maggior trasparenza rispetto alla soluzione ad archi gemelli senza l’obbligo di sdoppiamento della carreggiata, di contro sfrutta in maniera peggiore l’effetto arco rispetto alle soluzioni tradizionali.
Riassumiamo nella seguente tabella gli aspetti principali delle diverse soluzioni analizzate:
Ponte strallato Ponte archi riuniti Ponte ad archi indipendenti Ponte ad Arco singolo Ponte ad Arco singolo Aspetti positivi - Elevata snellezza dell’impalcato - Trasparenza della sospensione - Nessuna presenza di elementi in alveo - Buon inserimento nel contesto - Nessuna presenza di elementi in alveo - Larghezza impalcato contenuta - Buon inserimento nel contesto - Nessuna presenza di elementi in alveo - Larghezza impalcato contenuta - Trasparenza del sistema arco sospensione - Buon inserimento nel contesto - Nessuna presenza di elementi in alveo - Larghezza impalcato contenuta - Trasparenza del sistema arco sospensione - Buon inserimento nel contesto - Conservazione dell’integrità della carreggiata Aspetti negativi - Necessità di realizzare il pilone in alveo - Elevata altezza del pilone - Notevole valenza estetica ma eccessivo impatto ambientale nel contesto esaminato - Larghezza impalcato notevole
- Non sono stati riscontrati particolari aspetti negativi, probabilmente esteticamente meno pregevole rispetto alla soluzione con archi riuniti - Necessità di separare la carreggiata - Impalcato più spesso del caso con due archi - Maggiori problemi di stabilità del caso con due archi
- Sfruttamento peggiore dell’arco - Maggiore complessità di analisi rispetto alle soluzioni tradizionali
Da una disamina degli aspetti positivi e negativi delle diverse tipologie si vede che la soluzione con arco singolo inclinato presenta molti aspetti positivi e solo alcuni negativi, inoltre si tratta di una soluzione innovativa poco diffusa nella realtà attuale che merita dunque uno studio accurato e approfondimenti. Per tali ragioni nel seguito di questo lavoro si procederà a una più ampia ed esauriente trattazione di questa soluzione innovativa.
