Studio del varo con spinta incrementale di un ponte ad arco in acciaio sul torrente Pescia

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Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Edile e delle

Costruzioni Civili

Curriculum: Costruzioni Civili

Tesi di Laurea

Studio del varo con spinta incrementale di un ponte ad arco in acciaio sul torrente Pescia

RELATORI Prof. Ing. Paolo Sebastiano Valvo Prof. Ing. Giovanni Buratti CANDIDATO Giuseppe Benedetti

Anno Accademico 2016-2017

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INTRODUZIONE ...1

CAPITOLO PRIMO Metodi di costruzione dei ponti 1. PANORAMICA SUI METODI DI COSTRUZIONE DEI PONTI ...2

2. VARO CON IL METODO DI SPINTA INCREMENTALE ...8

2.1. Descrizione del metodo ...8

2.2. Dispositivi di scorrimento e ritegni laterali ...12

2.3. Dispositivi di calaggio ...13

2.4. Dispositivi di avanzamento ...14

2.5. Recupero della deformazione elastica ...15

2.6. Alcuni esempi ...18

CAPITOLO SECONDO Ponte ad arco in acciaio: Caso di studio 1. INQUADRAMENTO TERRITORIALE ...23

2. DESCRIZIONE GENERALE DELL’OPERA ...24

3. NORMATIVA ...26

4. MATERIALI ...27

4.1. C.A. ...27

4.2. Ferri per C.A. ...28

4.3. Durabilità ...28

4.4. Acciaio strutturale ...29

5. AZIONI SULLA STRUTTURA ...30

5.1. G1 – Peso proprio degli elementi strutturali ...31

5.2. G2 – Peso proprio degli elementi non strutturali ...32

5.3. Carichi variabili da traffico ...33

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5.6. Azione della temperatura ...42

5.7. Azione sismica ...46

6. DIMENSIONAMENTO DEGLI ELEMENTI STRUTTURALI ...49

6.1. Introduzione ...49

6.2. Travi longitudinali ...49

6.3. Traversi ...50

6.4. Arco ...51

6.5. Tiranti ...51

6.6. Connettori ...52

6.7. Dispositivi di appoggio e shock transmitters ...52

7. MODELLAZIONE ...54

8. COMBINAZIONI ...61

9. VERIFICHE ELEMENTI STRUTTURALI ...62

9.1. Predalles ...62

9.2. Soletta collaborante ...64

9.2.1. Verifiche allo SLU ...68

9.2.2. Verifiche allo SLE ...70

9.2.3. Caso particolare: zona terminale della soletta del ponte ...72

9.3.2. Verifiche agli SLE ...92

9.4. Traversi ...97

9.5. Arco ...110

9.5.2. Verifiche di stabilità ...114

9.6. Tiranti ...118

9.6.2. Verifica del collegamento ...119

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Varo del ponte ad arco in acciaio: Caso di studio

1. MONTAGGIO DEL PONTE ...121

1.1. Descrizione generale ...121

1.2. Fasi di montaggio ...121

2. AZIONI SULLA STRUTTURA ...125

2.1. Sovraccarico di zavorra...125

3. DIMENSIONAMENTO DEGLI ELEMENTI DEL VARO ...126

3.1. Controventi del ponte ...126

3.2. Avambecco del ponte ...127

3.3. Binario di scorrimento ...131

3.4. Rulliere ...132

4. MODELLAZIONE ...134

5. VERIFICHE ELEMENTI STRUTTURALI ...137

5.2. Traversi ...144

5.3. Arco ...151

5.4. Controventi ...155

5.5. Avambecco del ponte ...158

5.6. Binario di approdo ...168

5.7. Binario di scorrimento ...175

5.8. Tesatura dei pendini ...179

6. VERIFICHE DEI COLLEGAMENTI ...181

6.1. Collegamenti degli elementi del ponte ...191

6.1.1. Collegamenti dei controventi...191

6.1.2. Collegamento dei pistoni di spinta ...195

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6.2.2. Collegamento diagonale centrale-trave ...204

6.2.3. Collegamento corrente superiore-arco ...206

6.2.4. Collegamento montanti-diagonali-corrente superiore ...209

6.2.5. Collegamento controventi orizzontali-trave ...211

6.3. Collegamenti del binario di approdo ...214

6.3.1. Collegamento puntone-trave ...215

6.3.2. Collegamento puntone-spalla ...216

6.3.3. Collegamento trave-appoggio ...219

6.3.4. Collegamento trave-ferri di armatura ...227

6.3.5. Collegamento controventi orizzontali-trave ...233

7. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE ...237

ALLEGATO A ...238

1. Ponte ...238

2. Avambecco ...247

3. Binario di approdo ...256

BIBLIOGRAFIA ...263

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Il presente lavoro di tesi si occupa dello studio del varo di un ponte ad arco in acciaio con impalcato a sezione mista acciaio-calcestruzzo. In particolare si è studiato il varo con il metodo di spinta incrementale, che consiste nel costruire l’impalcato in rilevato a bordo delle spalle e spingerlo verso la sua posizione finale. Per la spinta, il ponte viene modificato rispetto alla sua configurazione d’esercizio, attraverso l’introduzione di controventi al posto dei pendini.

Questa modifica è necessaria in quanto, durante la fase di varo, il ponte attraversa stati di sollecitazione che non sono pensati per la sua configurazione d’esercizio. Inoltre, per alleggerire le strutture del ponte e per ridurre la lunghezza degli elementi a sbalzo, vengono utilizzati due elementi: il primo è l’avambecco, il quale rappresenta uno degli elementi principali per il varo con il metodo di spinta. Il secondo è il binario di approdo, realizzato con elementi in acciaio ancorati alla spalla, la cui funzione è quella di garantire un prolungamento dell’appoggio. Quest’ultimo elemento rappresenta una novità in questi tipi di varo soprattutto per i ponti di medie e grandi luci qualora non risulti possibile accedere al fondo valle per realizzare delle pile provvisorie.

Il lavoro risulta essere strutturato in tre capitoli.

Nel primo si effettua una panoramica sui vari metodi di costruzione dei ponti, approfondendo il varo con il metodo di spinta incrementale attraverso le relative attrezzature e alcuni esempi.

Nel secondo capitolo viene eseguita la progettazione del ponte, oggetto di studio, nella sua configurazione d’esercizio in modo da determinare la dimensione e di conseguenza il relativo peso di tutti gli elementi strutturali necessari per eseguire il varo.

Nel terzo capitolo, infine, si analizza nel dettaglio la progettazione della fase di varo longitudinale del ponte. Il suo comportamento strutturale è analizzato unitamente a quello delle relative strutture provvisorie, avambecco e binario di approdo, utilizzando dei modelli agli elementi finiti tridimensionali.

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CAPITOLO PRIMO Metodi di costruzione dei ponti 1. Panoramica sui metodi di costruzione dei ponti

I ponti possono essere classificati, secondo la procedura di costruzione, in tre principali classificazioni: gettati in sito, pregettato/prefabbricato, e infine i metodi di movimento.

Metodo Procedura Illustrazione

(1) Tecniche di getto in opera (1-A) Costruzione campata per campata

(1a) Cassaforma

stazionaria sostenuta sul terreno

(1b) Cassaforma

stazionaria sostenuta da colonne provvisorie sul terreno

(2) Cassaforma stazionaria sostenuta da una capriata di Bailey o supporti simili sulle colonne del ponte (3) Cassaforma stazionaria sostenuta da una capriata di Bailey o supporti simili su mensole e colonne provvisorie

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(4) Cassaforma viaggiante su rulli

(5a) Cassaforma viaggiante sopra l’impalcato (ponteggi mobili o casseforme volanti)

(5b) Cassaforma viaggiante sotto l’impalcato

(1) Tecniche di getto in opera (1-B) Costruzione segmento per segmento

(6a) Costruzione a sbalzo bilanciata usando due casseforme viaggianti

(6b) Costruzione a sbalzo bilanciata usando una cassaforma viaggiante e sistema fisso

(6c) Costruzione a sbalzo usando cavi ausiliari

(6d) Costruzione a sbalzo usando un varo a

cavalletto

(6e) Costruzione dell’arco usando colonne

temporanee e stralli

(6f) Costruzione di ponti strallati usando

casseforme viaggianti.

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(2) Tecniche per elementi prefabbricati (2-A) Costruzione campata per campata

(7a) Metodo di varo con travatura reticolare (montaggio di travi prefabbricate sollevate da terra)

(7b) Metodo di varo con travatura reticolare (montaggio di travi prefabbricate consegnato dall’impalcato)

(8a) Sollevamento con martinetti di travi prefabbricate in

calcestruzzo dal terreno (8b) Sollevamento di travi prefabbricate in

calcestruzzo o acciaio dal terreno usando le gru (9) Costruzione dell’intera larghezza della campata prefabbricata usando supporti mobili

(dall’impalcato costruito in precedenza)

(10) Costruzione campata per campata usando travi di montaggio

(2) Tecniche per elementi prefabbricati (2-A) Costruzione di segmenti lunghi

(11a) Costruzione campata per campata attraverso l’assemblaggio di segmenti (lunghi mezza campata) usando la post-tensione sopra pile provvisorie

(11b) Costruzione di campate prefabbricate attraverso il sollevamento di segmenti (qualsiasi lunghezza) usando gru in sito sull’impalcato pre- costruito poi assemblando i segmenti attraverso la post-tensione

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(2) Tecniche per elementi prefabbricati (2-A) Costruzione di segmenti corti

(12) Costruzione di segmenti prefabbricati su ponteggi (segmenti sollevati da terra o dall’impalcato) (13) Costruzione di segmenti prefabbricati su una capriata di Bailey o simile (segmenti sollevati da terra o dall’impalcato) (14) Segmenti

prefabbricati con varo a cavalletto (segmenti sollevati dall’impalcato) (15) Costruzione a sbalzo bilanciata usando

segmenti prefabbricati sollevati da terra

(16) Costruzione a sbalzo bilanciata usando

martinetti di

sollevamento (segmenti sollevati da terra)

(17) Costruzione a sbalzo bilanciata usando gru (segmenti sollevati da terra)

(18a) Costruzione di ponti strallati attraverso o il sollevamenti di segmenti prefabbricati dalla chiatta o i segmenti sono consegnati

dall’impalcato (18b) Costruzione dell’arco usando torri di montaggio e stralli

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(3) Tecniche per elementi prefabbricati (3-A) Varo longitudinale 1- Gettato in opera

(19a) Varo longitudinale usando un

avambecco in acciaio

(19b) Varo longitudinale per campate medie usando supporti provvisori

2- Prefabbricato

(20a) Varo

longitudinale per campate lunghe usando stralli

(20b) Varo longitudinale per campate lunghe o ponti ferroviari a travatura reticolare

(3-B) Rotazione

(20c) Ponti ruotati

(3-B) Traslazione

(20d) Movimento trasversale del ponte (Sostituzione di un vecchio ponte o costruzione attraverso lo

scorrimento laterale)

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(4) Altri metodi speciali e combinati

(21) Costruzione dell’arco in posizione verticale poi ruotato nella posizione finale

(22) Costruzione della porzione centrale usando ponteggi mobili

(23) Costrizione per sollevamento di carichi pesanti (l’intera campata è sollevata da terra e collocata nella posizione finale

(24) Costrizione per sollevamento di carichi pesanti (l’intera campata è sollevata dall’acqua e collocata nella posizione finale

(25) Costruzione di ponti a travata continua

usando travi

prefabbricate e getto in opera del giunto di continuità

(26) Costruzione a sbalzo per ponti a travatura reticolare

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2. Varo con il metodo di spinta incrementale 2.1. Descrizione del metodo

Il montaggio con varo longitudinale o costruzione a “spinta” si applica nel caso di viadotti a travata, di peso e luce non rilevante, preferibilmente ad anima piena e dotati di intradosso rettilineo. Questa tecnica può essere utilizzata solo nel caso di ponti rettilinei o con curvatura planimetrica costante su tutto lo sviluppo. La travata metallica o in calcestruzzo, interamente od in parte prefabbricata in un piazzale allineato al viadotto, viene trasferita in opera con l’impiego di taglie o mezzi spingenti, ad esempio martinetti idraulici, muovendosi su appoggi provvisori scorrevoli.

Le principali fasi di montaggio per il varo longitudinale, con riferimento alle attrezzature di impiego attuali, sono:

1) La sistemazione con autogrù del piazzale di montaggio;

2) La sistemazione del piano di varo con montaggio di eventuali pile provvisorie e predisposte di rulliere o slitte, martinetti, telai di supporto e di direzione, piani di lavoro;

3) L’assiemaggio, a mezzo di saldatura o bullonatura, della travata nel piazzale, il controllo della geometria e i controlli tecnologici dei collegamenti.

4) Montaggio di eventuali attrezzature provvisorie necessarie che possono essere:

avambecco, piattabande di rinforzo provvisorie, contrappesi in coda alla trave;

5) Prova di inflessione (se consentita dalla profondità del piazzale), e rilievo della deformata elastica in situazione tale da riprodurre la condizione di massimo sbalzo;

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6) Sostituzione dei calaggi di assiemaggio con rulli o rulliere;

7) Sistemazione degli impianti di trazione e di frenatura;

8) Il varo vero e proprio;

9) Abbassamento della travata sugli appoggi definitivi con martinetti o telai mobili.

Per ponti ad impalcato metallico (piastra ortotropa) finite queste operazioni, il ponte è pronto per l’impiego salvo il breve tempo necessario a stendere la pavimentazione stradale.

Nel caso di ponti a sezione composta con soletta in cemento armato, al montaggio delle travi metalliche segue la costruzione della soletta che richiede la necessità di attendere il tempo di maturazione prima che sia possibile utilizzare il ponte.

Il montaggio di travate con varo longitudinale comporta in genere numerosi vantaggi, uno tra i principali è la possibilità di passare sopra agli ostacoli come per esempio fiumi, costruzioni, strade, ecc... L’assiemaggio della struttura e l’esecuzione dei collegamenti avviene a terra, sul piazzale, con tutti i benefici conseguenti sulla correttezza e rapidità dell’esecuzione, sulla sicurezza ed economicità del lavoro e sulla semplicità delle attrezzature.

Per contro si ha il costo delle attrezzature per spingere e far scorrere la travata che, nel caso di trave continua a più luci, può arrivare a pesare parecchie migliaia di tonnellate. Inoltre, durante l’avanzamento, nelle varie sezioni della trave si ha inversione delle sollecitazioni con

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conseguente necessità di avere, nel caso di travi in c.a.p., una compressione centrata o quasi e nel caso di travi metalliche dei rinforzi sulle piattabande.

Al fine di ridurre i forti momenti negativi che si avrebbero immediatamente prima di raggiungere la pila, cioè con un’intera campata a sbalzo, la trave viene dotata di avambecco a struttura metallica di lunghezza pari a circa 0,4 ÷ 0,6 ∙ .

Gli avambecchi si possono classificare in due categorie: ad anima piena e reticolari.

L’avambecco ad anima piena ha un peso a metro lineare superiore a quello reticolare, infatti generalmente viene adoperato per coprire luci inferiori rispetto a quello reticolare. Esso ha però il vantaggio di essere montabile e smontabile molto più velocemente rispetto a quello reticolare dato che, quest’ultimo, ha un numero di aste superiore e di conseguenza anche il numero dei collegamenti.

Avambecco reticolare Avambecco ad anima piena

L’avambecco però svolge anche un’altra funzione molto importante, cioè permette di recuperare l’inflessione dovuta alla parte a sbalzo dell’intera struttura, consentendogli di poter ingaggiare le rulliere poste nella pila successiva senza sbattere contro il fusto della pila. Per esercitare questa funzione possono essere adottate diverse soluzioni:

- Avambecco a becco d’anatra: l’avambecco è collegato al ponte con un’inclinazione verso l’alto in modo da recuperare l’inflessione della punta;

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- Sistema di regolazione con martinetti idraulici: l’avambecco viene collegato alla travata con un perno inferiore e un martinetto incernierato alla parte superiore in modo da regolare l’inclinazione dell’avambecco. Questa soluzione può essere utilizzata solo per la punta dell’avambecco;

Il piazzale di assiemaggio è allineato al viadotto e dovrebbe estendersi da una spalla, in profondità, per un’ampiezza sufficiente ad ospitare la travata completa. Il varo della travata, pur richiedendo un notevole lavoro di preparazione sul piano tecnico, è un’operazione di breve durata con l’impiego di personale e mezzi assai limitati.

Nel ponte ad una campata la sicurezza viene garantita o costruendo una pila intermedia e attrezzando la trave con zavorra ed eventualmente con avambecco o sorreggendone la testa in diversi modi, secondo le condizioni particolari del cantiere.

Nel ponte a più campate, qualora resistenza e rigidezza della travata consentano il varo senza appoggi intermedi fra le pile, si potrebbero effettuare contemporaneamente l’assiemaggio ed il varo “a singhiozzo” delle prime due campate come appare nella figura sottostante, con un piazzale di assiemaggio poco più esteso di una campata.

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2.2. Dispositivi di scorrimento e ritegni laterali

Esistono tre differenti dispositivi di scorrimento:

La rulliera è generalmente costituita da 2 o 4 rulli montati su bilancieri. Lo scorrimento avviene su delle ruote dotate di perni installati su delle cassette. Queste cassette a loro volta sono fissate ad una sottostruttura mediante altri perni che ne consentano la rotazione attorno all’asse trasversale.

I dispositivi a rulli e a pattini hanno il pregio, rispetto alle rulliere, di un maggiore estensione dell’appoggio a fronte del rischio di imbozzamento dell’anima della trave. I rulli

vengono inseriti nella parte posteriore del bilanciere e recuperati con continuità nella parte anteriore nel corso stesso del varo. I pattini, generalmente realizzati da lastre di teflon, sono fissi al bilanciere. È necessario interporre tra i pattini e la trave un nastro levigato realizzato in teflon o in lamierino cromato; l’uniformità della loro reazione viene assicurata collegando i pattini al bilanciere con l’interposizione di cuscinetti in gomma.

Bilanciere a rulli Bilanciere a pattini

Un problema che riguarda i dispositivi di scorrimento è il superamento delle sezioni in cui varia lo spessore della piattabanda inferiore e delle zone di coprigiunto della piattabanda stessa. Occorre predisporre la trave di raccordi cuneiformi i quali, se pure costruiti con pendenza limitata, non riescono ad evitare completamente l’urto sulle rulliere ed un forte incremento del tiro per l’avanzamento.

Una soluzione è quella rappresentata in figura:

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Si può utilizzare indifferentemente rulliere, bilancieri a pattini o rulli. La rulliera non è più fissa al basamento, ma si sposta rispetto ad esso insieme con la trave. Il varo procede a singhiozzo con il ciclo seguente:

1) Avanzamento del sistema trave più rulliera (corsa C1) 2) Sollevamento della trave con martinetti (corsa C2) 3) Ritorno rulliera

4) Abbassamento della trave

Scegliendo opportunamente i valori C1 e C2 è possibile evitare ogni interferenza con i giunti saldati o bullonati della piattabanda inferiore, inoltre ad ogni ciclo la rulliera si trova ad essere disimpegnata dal peso della trave con possibilità di correggerne la posizione in pianta.

I ritegni laterali sono necessari durante il varo, per mantenere il corretto allineamento in pianta della sovrastruttura e resistere alle forze trasversali prodotte dal vento e dal sisma durante la fase di costruzione. Inoltre contrasta anche lo sbandamento delle travi dovuto alla non perfetta disposizione longitudinale del sistema di tiro.

2.3. Dispositivi di calaggio

Si utilizzano i martinetti che hanno portate comprese tra le 10 e le 300 tonnellate con corse generalmente inferiori ai 50 centimetri, per portate e corse maggiori occorre utilizzare dei martinetti speciali. Se il calaggio della trave comporta una corsa superiore a quella dei martinetti, è necessario ricorrere a pile di calaggio in legname oppure, per corse e carichi maggiori, a telai in acciaio.

Le due traverse ricevono alternativamente il carico; quando è caricata la prima traversa, la seconda viene abbassata di una entità pari alla corsa dei martinetti.

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2.4. Dispositivi di avanzamento

Nel “sistema di auto bloccaggio” i pistoni idraulici possono essere ancorati direttamente all’estremità posteriore della sovrastruttura per trasferire la forza di spinta agendo contro i vincoli rigidi. La spinta posteriore richiede l’ancoraggio dei pistoni di varo in molte posizioni lungo i vincoli continui. I cordoli longitudinali che supportano il sistema di formatura del ponte gettato in situ o i segmenti prefabbricati permettono di resistere alla reazione di spinta per attrito mobilitate per compressione idraulica.

Come alternativa, un contrasto meccanico continuo è più costoso ma più affidabile in caso di varo in salita.

Pistoni di spinta con martinetti di chiusura Pistoni di spinta con contrasto meccanico L’uso di ancoraggi a cavalletto permettono la frenatura idraulica della sovrastruttura durante

il varo in discesa.

Il sistema di frenatura, mostrato nella figura sottostante, ancorato alla sovrastruttura da due tiranti temporanei, è stato studiato per il varo in discesa con una pendenza dell’8% in Brasile.

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Nei ponti più pesanti, la forza di spinta è trasferita per attrito usando uno o più coppie di

“lanciatori” posizionate sotto le anime della sovrastruttura. Nella versione più semplice, un lanciatore è composto da un martinetto verticale spinto lungo una superficie lubrificata da un pistone orizzontale. Il pistone agisce contro un blocco di fondazione che supporta la sovrastruttura nelle pause tra due seguenti lanci.

La sequenza di funzionamento è la seguente:

 Usando i martinetti verticali, la sovrastruttura è sollevata a pochi millimetri dal blocco di supporto del lanciatore. Come conseguenza, la reazione di sostegno della trave continua è trasferita dal blocco di supporto alla slitta mobile del lanciatore.

 Usando i pistoni di spinta, la slitta avanza attraverso lo scorrimento su una superficie a basso attrito. La forza di spinta è trasferita alla sovrastruttura attraverso l’attrito, tramite la reazione del supporto della trave continua sulla slitta e l’elevato coefficiente di attrito tra la superficie inferiore della sovrastruttura e i piatti in acciaio zigrinato sotto i martinetti.

 Quando il pistone raggiunge la fine corsa, la sovrastruttura è abbassata sul blocco di supporto alleviando i martinetti di sollevamento.

 La slitta scarica ritorna inattiva nella posizione iniziale per iniziare di nuovo questo ciclo.

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2.5. Recupero della deformazione elastica

Quando ci si avvicina alla pila, la punta dell’estremità anteriore è generalmente distante dal profilo verticale teorico della superficie di varo a causa della deformazione elastica del sistema di punta del ponte. Nel caso di una sequenza regolare di campate e pilastri con rigidezza verticale simile, la deformazione della punta dell’estremità anteriore è sempre verso il basso.

Può facilmente eccedere i 10 cm nel caso di ponti in calcestruzzo precompresso, e parecchie decine di centimetri nel caso di travi in acciaio di ponti a struttura mista. La necessità di recuperare questa deformazione per permettere la continuità del varo potrebbe essere risolta con un cuneo di sollevamento; cioè inclinando le flange inferiori dell’avambecco in modo che il suo avanzamento sulla pila costringe il suo riallineamento progressivo. In realtà, questo metodo di riallineamento è usato raramente e solo per travi in acciaio, poiché le elevate forze orizzontali generate dall’azione del cuneo possono sovraccaricare le pile. In aggiunta, i vincoli di varo devono essere ancorati alla testa della pila per evitare spostamenti accidentali o ribaltamento, e deve essere articolata per accogliere le grandi rotazioni della sezione di supporto. Nella maggior parte dei casi, pertanto, il riallineamento è ottenuto con dispositivi idraulici.

Una seconda soluzione alla necessità di ridurre le sollecitazioni transitorie derivanti dalla configurazione a sbalzo consiste nel sostenere l’estremità anteriore della sovrastruttura.

Questo è ottenuto con un dispositivo strallato composto da una torre incernierata alla sovrastruttura e i cavi fissati alla testa della torre ancorati simmetricamente, per ottenere un sistema di precompressione esterna regolabile con le elevate eccentricità.

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Nella fase iniziale di costruzione, quando le prime due campate della sovrastruttura sono ancora nel cantiere di getto/assemblaggio, un corto avambecco e una torre in acciaio sono ancorate alla sovrastruttura. La torre è posizionata in modo che quando la punta dell’estremità anteriore raggiunge la pila, la torre è alcuni metri dietro la precedente pila. Trasversalmente, le due colonne della torre sono appoggiati sull’impalcato attraverso martinetti idraulici di lunga corsa che controllano le forze verticali trasferite attraverso la sovrastruttura e permettono aggiustamenti simultanei del tiro dei cavi.

Questo dispositivo per essere efficace in tutte le fasi di varo, è necessario modificare continuamente il tiro nei cavi a causa del carico concentrato che la torre trasferisce alla sovrastruttura. Quando la punta dell’estremità anteriore si avvicina alla pila la forza è massima e il sistema è efficace, ma quando la torre sorpassa la pila e avanza verso la mezzeria della campata la stessa forza incrementerebbe il momento positivo e deve essere ridotto allentando i cavi. Nella pratica, molti fattori limitano l’uso di questo schema di supporto per le campate più lunghe di ponti in calcestruzzo precompresso, e sempre in combinazione con l’avambecco per ridurre il peso dello sbalzo e con essa la portata richiesta dei cavi.

Varo del viadotto Charix con campate di 64 m (Auvergne-Rhône-Alpes, Francia)

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2.6. Alcuni esempi

 Il ponte strallato sul fiume Adda si colloca tra gli abitati di Montodine e Castiglione d’Adda in sostituzione di un precedente attraversamento storico, crollato durante gli eventi alluvionali del novembre 1994 per rototraslazione della pila meridionale trascinata dalla corrente.

L’andamento planimetrico è sostanzialmente rettilineo. Le antenne hanno uno sviluppo di 52,5 m, sezione a cassone quadrato con lati di 2,25 m e il loro asse è inclinato di circa 15° verso le spalle. La sezione trasversale resistente ha forma a cassone trapezoidale con basi di 5,7 m e 4,6 m e un’altezza di 5,4 m che si riduce fino a 3,5 m sulle spalle. I diaframmi sono reticolari a croce di Sant’Andrea ogni 4 m mentre nelle sezioni di attacco degli stralli e nelle sezioni di appoggio diventano a parete piena.

Per rendere il montaggio più veloce ed agevole, l’impresa costruttrice, propose una modifica dell’impalcato rispetto a quanto proposto nel progetto esecutivo che prevedeva il montaggio a sbalzo di conci completi. L’impalcato metallico venne sostituito con una soletta in calcestruzzo appesa al cassone, inoltre a causa del sensibile incremento di peso della struttura

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divenne necessario sostituire gli stralli, inizialmente previsti in funi spiroidali chiuse, con cavi a fili paralleli. Inoltre per il montaggio venne scelto il varo longitudinale di punta.

L’intero impalcato, lungo 400 m, è stato varato dalle due spalle con l’ausilio delle pile definitive e di una sola pila provvisoria posta nell’ambito golenale sud. I singoli conci, a sezione quadrata e costituiti da quattro pezzi uguali, erano assiemati a tergo delle spalle mediante giunti longitudinali bullonati e collegati alle porzioni in varo attraverso i giunti trasversali, anch’essi bullonati. Il posizionamento di una pila provvisoria dal lato Piacenza ha permesso il varo di circa due terzi della campata centrale dal lato sud e di un solo terzo dal lato nord, con sbalzi massimi inferiori a 80 m. L’abbassamento degli sbalzi è stato recuperato con una parziale tesatura degli stralli, dopo il montaggio delle antenne avvenuto con normali autogrù di grande portata. La coppia di stralli utilizzata in questa fase è stata ancorata direttamente al cassone in corrispondenza delle spalle, realizzando un sistema autoancorato in grado di traslare rigidamente per recuperare il varco lasciato tra le facce delle semicampate, mentre la rimanente coppia di stralli da ancorarsi alle spalle è stata posta in opera solo in seguito. Per l’allineamento della sezione di giunto sono stati utilizzati due martinetti che hanno consentito la regolazione di precisione delle quote reciproche e la chiusura del giunto stesso. È seguita la fase di infilaggio dei trefoli dei singoli stralli, affiancata dalla posa in opera della soletta, tesando i primi in funzione dell’incremento di carico derivante dal peso della seconda. I traversi sono stati assemblati a gruppi di 3 e collegati attraverso la trave di bordo esternamente all’alveo poi traslati in sede con carrelli scorrevoli sui bordi esterni del fondo del cassone.

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 Ponte a cassone vicino Redland, Oklahoma, montaggio attraverso il varo longitudinale, 1970. Questo ponte a cassone continuo su 9 campate è lungo 643 m, con la campata principale di 101 m. La sezione trasversale del cassone è 3,35 x 4,54 m. Le travi furono varate in due sequenze, una dall’estremità nord e una dall’estremità sud. L’avambecco è stato utilizzato per portare l’estremità iniziale di ciascun treno di travi fino ai supporti scorrevoli così è stato spinto fuori sulle successive pile. La chiusura è stata compiuta al centro della campata principale.

Nella foto sotto è possibile vedere l’estremità principale a nord del treno di travi che si muove attraverso 76 m della campata 4, approdando sulla pila 5.

L’avambecco sale sopra le unità scorrevoli della pila 5, rimuovendo l’abbassamento dell’estremità principale del treno di travi.

L’estremità principale a nord del treno di travi è adesso sostenuta dalla pila 5.

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 Viadotto della Bouble nel Massiccio Centrale Francese. Campate di 50 metri di luce.

1869. . , . . .

Costruzione dell’impalcato per spinte successive e costruzione delle pile dall’estremo.

 Ponte sul fiume Caronì tra San Féfix e Puerto Ordaz, Venezuela. Campate di 96 metri di luce. 1963. È stato sospinto con appoggi provvisori che dividevano in due le luci del ponte.

(27)

22

 Ponte sul fiume Scorff vicino Loricut, Francia. Luci 52+64+52 metri. 1862 M.

Morandiere.

 Ponte sul Danubio vicino Vienna.

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23

CAPITOLO SECONDO

Ponte ad arco in acciaio: Caso di studio 1. Inquadramento territoriale

L’area oggetto di studio è ubicata nel comune di Chiesina Uzzanese all’interno del territorio amministrativo della Provincia di Pistoia.

L’intervento prevede la realizzazione di un ponte sul collegamento viario tra la SP04 Traversa Valdinievole e la SP13 Romana per il superamento del torrente Pescia.

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24

2. Descrizione generale dell’opera

La tipologia strutturale adottata è quella di un arco a spinta eliminata. L’opera si presenta, dunque, come un ponte a via inferiore, dove all’impalcato viene affidato il compito di assorbire la spinta trasmessa dalle sezioni d’imposta dell’arco fungendo da catena. Questo comportamento toglie ai vincoli il compito di esplicare reazioni orizzontali. Inoltre risulta insensibile ai cedimenti di fondazione dato l’isostaticità dei vincoli esterni.

L’opera, di lunghezza complessiva pari a 65 m, è costituita da un’unica campata con due archi separati dotati di pendini verticali.

Il ponte è obliquo con un angolo di obliquità di 44°, come è visibile nell’immagine sottostante.

L’impalcato è realizzato in struttura mista acciaio-calcestruzzo.

La piattaforma stradale ha una larghezza complessiva di 11,4 m e comprende:

- Due corsie di marcia da 3,5 m;

- Due banchine con larghezza di 1,00 m;

- Due canalette di raccolta dell’acqua di 0,15 m;

- Due aree da 1,05 m sulle quali sono disposte le barriere di sicurezza e i dispositivi di attacco dei pendini;

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La struttura portante è costituita da due travi metalliche con sezione trasversale a doppio T simmetrica di altezza 0,9 m costante per tutta la sua lunghezza ma piattabande e anima opportunamente ingrossate ove necessario. Le travi sono poste ad interasse di 10,40 m, con sbalzi laterali della soletta di lunghezza pari a 0,10 m.

La soletta sarà gettata su predalles e solidarizzata alla trave metallica tramite connettori a piolo tipo Nelson.

Gli archi hanno assi teorici parabolici che in fase realizzativa saranno approssimati da spezzate. L’altezza massima in mezzeria è di 16 m. Gli archi sono costituiti da una sezione a cassone rettangolare, le cui dimensioni si mantengono costanti per l’intero sviluppo, avente una larghezza di 0,9 m, un’altezza di 0,7 m ed uno spessore di 30 mm. Ciascun arco è connesso alla propria trave sottostante attraverso una cortina di sospensione centrale costituita da funi spiroidali aperte del diametro di 40 mm. I traversi sono realizzati a sezione a doppio T con altezza variabile in modo da determinare un’inclinazione delle carreggiate del 2,5%. La sezione presenta un’altezza minima di 0,9 m all’attacco con le travi e un’altezza massima di 1,138 m in mezzeria. I traversi e i pendini sono disposti ad una distanza, fra loro, di 5,385 m ad eccezione della prima e ultima campata che sono di 5,575 m.

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3. Normativa

Sia la valutazione delle azioni che le verifiche sugli elementi sono condotte in accordo alle vigenti disposizioni legislative ed in particolare alle seguenti norme:

 D.M. 14/01/2008 “Norme tecniche delle costruzioni NTC”

 Circolare 02/02/2009 “Istruzioni per l’applicazione delle Norme Tecniche per le Costruzioni di cui al D.M. 14/01/2008”

 CNR 10030/87 “Anime irrigidite di travi a parete piena”

 CNR-UNI 10011/88 “Costruzioni in acciaio. Istruzioni per il calcolo, l’esecuzione, il collaudo e la manutenzione”

 Eurocodice 1, Azioni sulle strutture:

 UNI EN 1991-1-4:2005 Parte 1-4: Azioni del vento

 UNI EN 1991-1-5:2004 Parte 1-5: Azioni termiche

 UNI EN 1991-2:2005 Parte 2: Carichi da traffico sui ponti

 Eurocodice 3, Progettazione delle strutture in acciaio:

 UNI EN 1993-1-1:2005 Parte 1-1: Regole generali e regole per edifici

 UNI EN 1993-1-5:2007 Parte 1-5: Elementi strutturali a lastra

 UNI EN 1993-2:2007 Parte 2: Ponti in acciaio

 Eurocodice 4, Progettazione delle strutture composte acciaio/calcestruzzo:

 UNI EN 1994-1-1:2005 Parte 1-1: Regole generali e regole per edifici

 UNI EN 1994-2:2006 Parte 2: Regole generali e regole per i ponti

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27

4. Materiali 4.1. C.A:

Il calcestruzzo utilizzato è il C35/45:

 Resistenza caratteristica cilindrica = 35 / ;

 Resistenza caratteristica cubica = 45 / . Caratteristiche complete:

fck 37,35 N/mm²

fcd 21,16 N/mm²

Ecm 34625 N/mm²

fcm 45,35 N/mm²

fctm 3,35 N/mm²

fctk 2,34 N/mm²

fbk 5,28 N/mm²

fbd 3,52 N/mm²

τrd 0,39 N/mm²

εsh 0.0002

αT 0,00001 °C^-1

γ 25 kN/m³

= 0,83 ∙ resistenza caratteristica cilindrica

= ∙ resistenza di calcolo

= 0,85 per tener conto della riduzione di resistenza per effetto dei carichi di lunga durata

= 1,5

= + 8

= 22000 ∙ ^. modulo elastico secante

= 0,3 ∙ resistenza media a trazione

= 0,7 ∙ resistenza caratteristica inferiore a trazione

= 2,25 ∙ ∙ ∙ resistenza statica caratteristica per aderenza

= 1 in buone condizioni di aderenza

= 1 per barre di diametro <32 mm

= resistenza tangenziale di calcolo per aderenza

= 0.0525 ∙ resistenza tangenziale di calcolo

= coefficiente di dilatazione termica

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4.2. Ferri per C.A.:

Per i ferri di armatura utilizzo l’acciaio il B450C:

 Tensione caratteristica di snervamento = 450 / Caratteristiche complete:

fsk 450 N/mm² fsd 391,3 N/mm² Es 210000 N/mm²

= 1,15

Usiamo il diagramma di comportamento del materiale di tipo elasto-plastico indefinito εyd= 0,001863 => 1,863

4.3. Durabilità:

Dall’Eurocodice 2 ricavo le indicazioni sulla classe di esposizione ed in particolare la soletta verrà considerata in classe XF4 (Strade e impalcati da ponte esposti agli agenti antigelo), ambiente molto aggressivo. Per le spalle si avrà una classe XF2 (Superfici verticali di calcestruzzo di strutture stradali esposte al gelo e ad agenti antigelo), ambiente aggressivo. Per le fondazioni avrò una classe XF2 (Superfici verticali di calcestruzzo di strutture stradali esposte al gelo e ad agenti antigelo), ambiente aggressivo.

Secondo la C4.1.6.1.3 delle NTC08:

 in ambiente molto aggressivo e utilizzando un C35/45 il copriferro minimo è di 40 mm per elementi a piastra;

 in ambiente aggressivo e utilizzando un C35/45 il copriferro minimo è di 30 per altri elementi.

A questo ci devo aggiungere altri 10 mm per le tolleranze di posa e ulteriori 10 mm per la vita nominale di 100 anni, quindi in definitiva il copriferro minimo risulterà di 60 mm per l’ambiente molto aggressivo e 50 mm per l’ambiente aggressivo.

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4.4. Acciaio strutturale:

Per l’acciaio strutturale ho utilizzato S355.

fyk 355 N/mm² fyd,r 338,1 N/mm² fyd,i 322,7 N/mm² fu 510 N/mm²

, = resistenza di calcolo dell’acciaio per la resistenza delle sezioni

, = resistenza di calcolo dell’acciaio per la resistenza all’instabilità delle membrature

= 1,05

= 1,10

Ea 210000 N/mm² G 80769 N/mm²

= 78,5 / peso specifico dell’acciaio

Per i connettori a piolo si utilizza il C450.

fyc 350 N/mm² fuc 450 N/mm²

= 1,25

Per le funi spiroidali aperte si utilizza:

fy,f 1365 N/mm² fu,f 1570 N/mm² Ef 160000 N/mm²

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5. Azioni sulla struttura

Le azioni sulla costruzione, definite dalle “Norme tecniche relative ai carichi e sovraccarichi sulle costruzioni” sono le seguenti:

 Pesi propri e carichi permanenti degli elementi strutturali e degli elementi permanentemente portati

 Sovraccarichi, chiamati anche carichi accidentali, che si suddividono come spiegato nei punti seguenti.

L’effetto delle azioni viene valutato ai fini delle verifiche con l’approccio semiprobabilistico agli stati limite, secondo diverse combinazioni:

Nelle verifiche allo stato limite ultimo si distinguono le combinazioni EQU, STR e GEO, rispettivamente definite come: stato limite di equilibrio EQU, che considera la struttura ed il terreno come corpi rigidi; stato limite di resistenza della struttura STR, da riferimento per tutti gli elementi strutturali, e stato limite di resistenza del terreno GEO.

Nelle verifiche STR e GEO si è utilizzato l’approccio 2 (DA2), che definisce un’unica combinazione per le azioni, per la resistenza dei materiali e per la resistenza globale.

Approccio 2: ( 1 + 1 + 3)

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La verifica di stabilità globale deve essere effettuata secondo l’Approccio 1:

Combinazione 2: ( 2 + 1 + 1)

5.1. G1 – Peso proprio degli elementi strutturali

Il cassero per la soletta è realizzato con predalle aventi le seguenti caratteristiche:

= 5

ℎ = 120

ℎ = 20

= 3

ℎ = 3

= 20

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È presente una tralicciatura nel piano della base nel tratto scarificato di appoggio della trave.

La soletta strutturale è alta 30 cm mentre la parte esterna rialzata è di 40 cm.

Quindi ottengo i seguenti carichi:

= 1,25 /

= 7,50 /

= 10 /

5.2. G2 – Peso proprio degli elementi non strutturali

Viene utilizzata una pavimentazione normale:

ℎ = 7

= 2,94 /

Il guard rail viene preso il modello tipo SM-BP1H4-09:

= 79 / circa 80 /

Per il contenimento laterale della soletta si utilizza un profilo sagomato a freddo aventi le seguenti caratteristiche:

= 45

= 0,36 /

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5.3. Carichi variabili da traffico

I carichi variabili da traffico sono definiti nel 5.1.3.3.5 delle NTC 2008.

Le azioni variabili del traffico, comprensive degli effetti dinamici, sono definite dai seguenti schemi di carico:

 Schema di Carico 1: è costituito da carichi concentrati su due assi in tandem, applicati su impronte di pneumatico di forma quadrata e lato 0,40 m, e da carichi uniformemente distribuiti. Questo schema è da assumere a riferimento sia per le verifiche globali, sia per le verifiche locali, considerando un solo carico tandem per corsia, disposto in asse alla corsia stessa. Il carico tandem, se presente, va considerato per intero.

 Schema di Carico 2: è costituito da un singolo asse applicato su specifiche impronte di pneumatico di forma rettangolare, di larghezza 0,60 m ed altezza 0,35 m. Questo schema va considerato autonomamente con asse longitudinale nella posizione più gravosa ed è da assumere a riferimento solo per verifiche locali. Qualora sia più gravosa si considererà il peso di una singola ruota di 200 kN.

 Schema di Carico 3: è costituito da un carico isolato da 150 kN con impronta quadrata di lato 0,40 m. si utilizza per verifiche locali su marciapiedi non protetti da sicurvia.

 Schema di Carico 4: è costituito da un carico isolato da 10 kN con impronta quadrata di lato 0,10 m. Si utilizza per verifiche locali su marciapiedi protetti da sicurvia e sulle passerelle pedonali.

 Schema di Carico 5: costituito dalla folla compatta, agente con intensità nominale, comprensiva degli effetti dinamici, di 5,0 kN/m². Il valore di combinazione è invece di 2,5 kN/m². Il carico folla deve essere applicato su tutte le zone significative della superficie di influenza, inclusa l’area dello spartitraffico centrale, ove rilevante.

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34 Diffusione dei carichi locali:

I carichi concentrati da considerarsi ai fini delle verifiche locali ed associati agli Schemi di Carico 1, 2, 3 e 4 si assumono uniformemente distribuiti sulla superficie della rispettiva impronta. La diffusione attraverso la pavimentazione e lo spessore della soletta si considera avvenire secondo un angolo di 45°, fino al piano medio della struttura della soletta sottostante.

Azione longitudinale di frenamento o di accelerazione:

La forza di frenamento o di accelerazione q3 è funzione del carico verticale totale agente sulla corsia convenzionale n.1 ed uguale a:

180 ≤ = 0,6 ∙ (2 ∙ ) + 0,1 ∙ ∙ ∙ ≤ 900

per i ponti di 1^a categoria, essendo w1 la larghezza della corsia e L la lunghezza della zona caricata.

La forza, applicata a livello della pavimentazione ed agente lungo l’asse della corsia, è assunta uniformemente distribuita sulla lunghezza caricata e include gli effetti di interazione.

(40)

35 Caso di studio

La larghezza della carreggiata è di 9 m quindi considerando le corsie convenzionali di larghezza 3 m ottengo 3 corsie convenzionali. Il numero di corsie da considerare caricate, la loro disposizione sulla carreggiata e la loro numerazione saranno scelte in modo che gli effetti della disposizione dei carichi risultino i più sfavorevoli. La corsia che, caricata, dà l’effetto più sfavorevole è numerata come corsia Numero 1; la corsia che dà il successivo effetto più sfavorevole è numerata come la corsia Numero 2, ecc.

Schema di carico 1:

Corsia 1 q1k= 9 kN/m²

Q1k= 300 kN => q100= 240 kN/m² Corsia 2 q2k= 2,5 kN/m²

Q2k= 200 kN => q200= 160 kN/m² Corsia 3 q3k= 2,5 kN/m²

Q3k= 100 kN => q300= 80 kN/m²

I carichi Q1k, Q2k e Q3k sono i carichi asse, sono stati divisi per 2 in modo da ottenere il carico sulla singola impronta di 40x40 cm. Poi sono stati trasformati in carichi distribuiti, q100, q200 e q300, applicati su un’impronta di 79x79 cm sul piano medio della soletta.

Schema di carico 2:

Qak= 200 kN => qak.200= 273 kN/m²

Questo carico asse è applicato su impronte di 35x60 cm sul piano viario. Anche in questo caso è stato trasformato il carico concentrato in un carico distribuito su un’impronta di 74x99 cm sul piano medio della soletta.

Azione longitudinale di frenamento o accelerazione:

w1 (m) L (m) q3,calc (kN) q3,dist (kN/m²)

3,00 65 535,5 2,75

Per facilità di applicazione sul programma di calcolo viene trasformato in un carico distribuito applicato alla corsia 1.

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5.4. Azione della neve

Secondo il D.M. 14/01/2008 il Comune di Chiesina Uzzanese, in Provincia di Pistoia, si trova in ZONA II

Quindi:

= 1 / as < 200m

qsk: valore caratteristico di riferimento del carico della neve al suolo.

as= 20 m ; è la quota del suolo sul livello del mare nel sito di realizzazione dell’opera

Il carico provocato dalla neve sulle coperture sarà valutato mediante la seguente espressione:

= ∙ ∙ ∙

dove:

qs = carico neve sulla copertura;

μi = coefficiente di forma nella copertura, lo assumiamo uguale a 0,8 perché l’inclinazione è compresa tra 0° e 30°;

cE = coefficiente di esposizione, lo assumiamo pari a 1, perché la topografia del territorio è classificata “normale” in quanto area in cui non è presente una significativa rimozione di neve sulla costruzione prodotta dal vento, a causa del terreno, altre costruzioni o alberi;

ct = coefficiente termico, viene assunto pari a 1 in assenza di uno specifico e documentato studio.

= 0,8 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 1 = 0,8 /

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5.5. Azione del vento

Le azioni del vento sui ponti sono divise in tre componenti:

- Forze del vento in direzione x;

- Forze trasversali del vento nella direzione z;

- Forze longitudinali del vento nella direzione y.

I coefficienti di forza per impalcati da ponte nella direzione x sono dati da:

, = _, ∙ _,

Dove:

, è il coefficiente di forza per snellezza infinita λ ( = / ) dati dalla figura sottostante per tipi di ponti tipici;

, è il fattore di riduzione della snellezza (per semplicità e a favore di sicurezza lo considero unitario).

Occorre considerare due casi:

 Il ponte in presenza di veicoli, in cui avrò una velocità di riferimento maggiore ma un minore coefficiente di forza;

 Il ponte in assenza di veicoli, in cui avrò una velocità di riferimento minore ma un maggiore coefficiente di forza.

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I coefficienti di forza, cfx, per impalcati da ponte nella direzione x sono dati dalla figura sottostante:

I coefficienti di forza, cfz, per impalcati da ponte nella direzione z sono dati dalla figura sottostante:

L’area di riferimento Aref,z è uguale all’area planare:

, = ∙

L è la lunghezza dell’impalcato;

d è la larghezza dell’impalcato.

L’eccentricità della forza nella direzione x può essere considerata pari a

=4= 2,85