Riabilitazione strutturale dei ponti

Via Lungarini 129
90014 Casteldaccia (PA)
LA PRECOMPRESSIONE DELLE STRUTTURE IN ACCIAIO PARTE IV RIABILITAZIONE STRUTTURALE DEI PONTI
Spesso i ponti esistenti hanno bisogno, al di là della ordinaria manutenzione, di essere
rinforzati per far fronte all’aumentato traffico veicolare o meglio al traffico dovuto ad
autoveicoli di nuova generazione più veloci e più pesanti.
I metodi comuni per il rinforzo di ponti attuali come l’utilizzo di piastre imbullonate o
saldate, per aumentare il momento di inerzia, sono in molti casi un sistema proibitivo da
realizzare relativamente al tempo, alla manovalanza da impiegare e/o alle attrezzature e
macchine da utilizzare.
E’ emersa pertanto l’esigenza di sviluppare sistemi di rinforzo e recupero dei ponti
esistenti più efficienti e sopratutto a basso costo.
Si è visto che uno di questi metodi a costi contenuti è rappresentato dalla riabilitazione
dei ponti esistenti con l’utilizzo del sistema della precompressione a cavi esterni.
Scopo generale dell’uso di un sistema esterno di post - tensionamento su un ponte, è
quello di ristabilire la sua capacità portante, attraverso l’applicazione di forze esterne che
riducono le tensioni dovute al peso proprio e ai carichi di esercizio.
Il sistema di post - tensionamento è un sistema economico, adattabile ed efficace, inoltre
le barre o i cavi possono essere facilmente ispezionati, e se necessario, possono anche
essere sostituiti.
Questo fa del post – pensionamento, un sistema alternativo per la riabilitazione di
strutture
esistenti,
l’unico
svantaggio
connesso
all’uso
dei
cavi
esterni
di
precompressione è la loro esposizione agli agenti atmosferici.
La Federal Highway Administration in una sua recente ricerca ha fornito i seguenti dati: il
30% dei quasi 600.000 ponti presenti negli Stati Uniti necessitano di riparazioni, dovute a
deficienze strutturali o perché sono funzionalmente obsoleti. Ad aggravare la situazione
ha contribuito l’aumento dei carichi legali trasportabili, dai vettori su gomma di nuova
generazione.
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In molti casi rinforzare, piuttosto che ricostruire è una soluzione più economica per
l’Amministrazione locale.
Dall’inizio degli anni 80, il dipartimento dei trasporti dello stato dello Iowa (Dot Iowa) ha
sviluppato il concetto di riabilitazione di ponti a singola campata e a campata continua,
attraverso parecchi progetti pilota che prevedono l’utilizzo del post - tensionamento
Due ricercatori Klaiber e Dunker hanno studiato diverse soluzioni relative all’uso di sistemi
di post - tensionamento esterni, attraverso barre di acciaio ad alta resistenza, allo scopo
di riabilitare la capacità portante dei ponti in acciaio con impalcato in calcestruzzo.
La prima pubblicazione dei due studiosi sull’argomento “Studio di fattibilità di rinforzo dei
ponti a singola campata in acciaio con impalcato in calcestruzzo” del 1981, analizza quali
sono i sistemi per riabilitare i ponti a singola campata attraverso l’uso del posttensionamento.
Per avvalorare le loro ricerche si costruì un modello in scala 1:2 su cui furono effettuate
diverse prove di laboratorio i cui risultati sono stati poi pubblicati nell’articolo
“Rafforzamento di ponti esistenti a singola campata su travi in acciaio e impalcato in
calcestruzzo”. Visti i risultati soddisfacenti raggiunti si pensò di applicare nello stato dello
Iowa il sistema di post-tensionamento su due ponti esistenti a singola campata.
Di seguito fu pubblicato sempre dagli stessi autori un manuale, “Manuale di progettazione
per il rinforzo di ponti compositi a singola campata attraverso il post-tensionamento”,
indirizzato a tutti gli strutturisti che volessero applicare questa tecnologia a ponti esistenti.
Attualmente sono in fase di studio tecniche di post-tensionamento applicate alla
riabilitazione di ponti su travi continue a più campate.
Esempi di riabilitazione di ponti esistenti
Un primo esempio di utilizzazione efficace della tecnica di post - tensionamento è la
riabilitazione effettuata sui ponti a singola campata nello stato del Caltrans per consentire
il transito dei veicoli più pesanti quali i tir di nuova generazione. Detti ponti costituiti da
travi in acciaio e impalcato in calcestruzzo armato, furono progettati all’epoca, con
riferimento ad un transito di veicoli più leggero rispetto a quello più recente.
Questi ponti a singola campata sono stati adeguati strutturalmente sfruttando la teoria
della precompressione dell’acciaio, e sono stati nuovamente collaudati per consentire il
transito di veicoli più pesanti.
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In questi ponti la forza di precompressione fu applicata sotto l’asse neutro della sezione
della trave, per indurre una tensione di compressione nella flangia inferiore
tale, da
ridurre lo sforzo di trazione prodotto dal carico dovuto sia al peso proprio che ai carichi di
esercizio.
La combinazione delle tensioni di trazione e quelle indotte dalla precompressione, è tale
da produrre un ridistribuzione delle tensioni che permette alla sezione di aumentare la
propria portanza.
L’azione di precompressione è realizzata in questo caso in maniera tale da produrre uno
sforzo di flessione, di segno opposto a quello dovuto ai carichi, capace di annullare
l’incremento del momento flettente dovuto all’aumento dei carichi sul ponte per effetto del
transito degli autocarri più pesanti.
In alcuni di questi ponti oltre alla precompressione dell’acciaio, la portanza è stata
ulteriormente aumentata realizzando la connessione tra l’impalcato in calcestruzzo
armato e le travi in acciaio, applicando dei connettori in acciaio.
fig. 42
L’utilizzo dell’acciaio precompresso ai ponti esistenti ancora in buone condizioni di
manutenzione, ha prodotto un notevole risparmio nei costi rispetto alla spesa occorrente
per la demolizione e la ricostruzione di un nuovo ponte.
Nella foto (fig. 42) è raffigurato un ponte con travi in acciaio realizzato in California,
successivamente rinforzato con la tecnica della precompressione per sostenere carichi
maggiori.
In tale ponte le barre di precompressione sono state applicate esternamente
prossimità delle ali inferiori delle travi in acciaio.
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in
fig. 43
Un altro esempio di utilizzo delle travi in acciaio precompresso è costituito
dall’ampliamento della piattaforma del ponte Berkeley Bridge Norfolk Virginia USA. (ved.
fig. 43)
Riabilitazione di un ponte in acciaio calcestruzzo mediante la tecnica di posttensionamento con cavi in fibre di carbonio
Nell’ ultimo decennio si è scoperto che le fibre di carbonio rappresentano il materiale che
meglio si adatta, alla riabilitazione strutturale dei ponti. Le caratteristiche principali delle
fibre di carbonio infatti sono l’elevata resistenza alla corrosione, il basso peso specifico e
l’elevato carico di rottura a trazione.
Fino a qualche tempo fa le fibre di carbonio venivano usate prevalentemente nell’industria
aerospaziale, dove i costi sono generalmente un aspetto secondario rispetto alle elevate
prestazioni che i materiali stessi devono fornire.
Il primo ponte realizzato con fibre di carbonio è stato un ponte pedonale costruito nel
1975 da alcuni ingegneri israeliani; successivamente molti paesi hanno adottato la stesa
tecnica per la costruzione di ponti pedonali.
Acquisita una esaustiva conoscenza ed esperienza basata sui progetti dei ponti pedonali,
molti ingegneri, scienziati e ricercatori hanno tentato di estendere l’applicabilità delle fibre
di carbonio ai ponti stradali.
In ogni caso l’utilizzo delle fibre di carbonio è stato maggiormente utilizzato ed è risultato
vantaggioso, nella riabilitazione di ponti tramite precompressione che non per le nuove
realizzazioni.
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fig.44
Dall’inizio degli anni ’90 sono state sviluppate e sperimentate diverse metodologie per
riparare le sovrastrutture deteriorate di ponti attraverso l’uso di fibre di carbonio, arrivando
alla conclusione che l’uso più economico di tale sistema si ha quando nella riabilitazione,
vengono coinvolti sia i materiali convenzionali ( acciaio, c.a. ecc..) che le fibre di carbonio
stesse.
Nel paragrafo successivo si documenterà la riabilitazione strutturale di un ponte
attraverso l’utilizzo delle fibre di carbonio e si descriveranno la tecnologia di installazione,
le prove di carico e i risultati ottenuti (fig. 44).
Riabilitazione del ponte n° 3903, OS 141 nel Guthrie County dell’Iowa
fig. 45
Il ponte, n° 3903, OS 141, è situato nel Guthrie County nell’Iowa all’incirca a 1,6 miglia ad
ovest da Bayard (fig. 44 e 45).
E’ lungo 64 m e largo 8: presenta due campate finali di 19,5 m e una centrale di 25 m. Le
travi del ponte poggiano su due pile centrali; la piattaforma è in calcestruzzo armato
gettato in opera e consente il transito su due corsie di marcia e in più ci sono due
banchine. una su ogni lato.
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fig. 46
fig. 47
Il ponte necessitava di interventi strutturali, in quanto presentava stati di corrosione diffusa
(fig. 46 e 47) che compromettevano la sua efficienza strutturale. Gli elementi strutturali
interessati dalla corrosione, giudicata secondo gli standard americani da grave a severa,
erano le travi portanti, le travi secondarie e gli appoggi.
a) Sistema e tecnologia di riabilitazione
Il sistema di post - tensionamento utilizzato per la riabilitazione del ponte descritto, si è
basata sugli studi condotti da Klaiber e sui dati relativi alle
prestazioni fornite dal
produttore delle barre a fibra di carbonio.
Sulla base delle analisi e diagnosi eseguite del ponte si è arrivati alla conclusione che le
travi esterne nelle zone di momento positivo, sia nella campata centrale, che in quella
finale erano sovraccaricate. Il procedimento di calcolo e progettazione che si è seguito
per determinare la forza richiesta per il sistema di post - tensionamento è riassuntato nei
seguenti punti:
1) Sono state computate le proprietà di ogni trave.
2) Sono state valutate per ogni trave tutte le condizioni di carico
3) Per ogni condizione di carico è stata determinata la distribuzione dei momenti.
4) Sono stati scelti lo schema di rinforzo, la lunghezza delle barre, e la loro futura
allocazione
5) È stato computata la tensione eccedente da ridurre.
6) È stata determinata la forza di post – tensionamento che avrebbe generato la prefissa
riduzione di sollecitazione nelle sezioni critiche.
7) Sono state monitorate le tensioni finali in ogni trave accertando che questi erano
inferiori alle tensioni ammissibili.
8) La forza di post – tensionamento fu incrementata dell’8% per tener conto delle perdite
di tensione dovute al tempo e ad errori dovuti alla schematizzazione stessa di tale
sistema.
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9) Infine dopo l’incremento dato alla forza di post – tensionamento si è ripetuto il controllo
di cui al punto 7 accertando che le tensioni su ogni trave risultavano inferiori alle
tensioni ammissibili.
b) Componenti del sistema di rinforzo
Le proprietà delle barre di rinforzo sono riportate nella seguente tabella.
Le barre sono state applicate alle travi in acciaio tramite angolari rinforzati da squadrette.
Ciascuno di questi angolari è bullonato all’anima della trave e presenta 2 fori per
l’inserimento di due cavi. Gli angolari sono fissati su entrambi i lati dell’anima della trave,
vicino la flangia inferiore, in modo da formare un sistema a quattro cavi.
I dettagli degli ancoraggi sono illustrati nelle fig. 48 e 49.
fig. 48
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fig. 49
c) Procedura di installazione delle barre di post - tensionamento
Il sistema di post - tensionamento è stato installato nelle zone di momento positivo delle
travi esterne in tutte e tre le campate del ponte; l’installazione del sistema fu completato in
una sola giornata lavorativa da una squadra di tre operai.
Date le limitazioni dell’accessibilità delle strutture, alcune delle procedure di installazione
furono completate servendosi di una gru posta sotto il ponte (fig. 55).
Di seguito si riportano le fasi descrittive delle procedure di montaggio del sistema di post
- tensionamento:
1) La localizzazione degli ancoraggi è stato fatto sulla base del progetto e delle misure in
loco.
2) Sono state forate le anime su ognuna delle travi esterne per fissare gli angolari.
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3) Tutti i corpi estranei, come le schegge di metallo dovute alla perforazione dell’anima,
sono stati rimossi, per creare un buon serraggio tra le superfici.
4) Gli ancoraggi sono stati poi imbullonati all’anima delle travi con bulloni ad alta
resistenza e serrati seguendo le prescrizioni del fornitore.
5) Le interferenze tra le barre di carbonio e le travi trasversali della sezione d’impalcato
sono state modellate rimovendo porzione della trave trasversale con una fiamma di
acetilene. (vedi fig. 57)
6) Le barre di carbonio sono state poste nella loro posizione ed ancorate in entrambi i lati
della trave. Per il sollevamento delle barre sono state prese delle precauzioni particolari
per non danneggiarle graffiandole o incurvandole eccessivamente.
7) Una forza nominale di 83000 kN/m2 è stata applicata a tutte le barre (4 barre per ogni
posizione). La messa in tensione è stata applicata tramite martinetti idraulici (vedi fig.
54).
Di seguito si riporta il dossier fotografico che documenta tutte le procedure descritte dei
punti precedenti (vedi fig. da 50 a 57).
fig. 50 - Installazione ancoraggio
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fig. 51 - Rimozione parte di diaframma
fig. 52 - Sollevamento delle barre
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fig. 53 - Installazione barra superiore
fig. 54 - Messa in tensione barre vicino l’appoggio
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fig. 55 - Montaggio con gru
fig. 56 - Barre nella trave vicino l’appoggio
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fig. 57 - Vista barre interne
d) Risultati finali
Dopo l’installazione del sistema di post - tensionamento, sono state eseguite diverse
prove di laboratorio e in situ.
Ad esempio sono state testate le barre di carbonio ed è stata osservata la loro modalità di
rottura; inoltre sono stati installati diversi estensimetri lungo il ponte e monitorati i suoi
spostamenti durante il carico, effettuato secondo le modalità previste delle norme
AASHTO.
Sulla base di questi risultati è stato realizzato tramite personal computer un modello
matematico che simulasse il comportamento del ponte.
L’effetto della precompressione è stato simulato come una forza costante che agisce
eccentricamente rispetto al baricentro della sezione, per cui l’equazioni di equilibrio della
sezione sono quelle classiche della presso flessione (vedi fig. 58).
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fig. 58
Il primo importante risultato a cui si è arrivati attraverso questa analisi sperimentale è che
l’introduzione del sistema di precompressione non cambia la rigidezza del ponte.
Inoltre si sono determinate le distribuzioni dei momenti flettenti sulle travi per le diverse
condizioni di carico. Di seguito si riportano questi diagrammi (fig. 59 e 60)
fig. 59 - Momenti indotti dal peso proprio
Dalla fig. 60 si rileva che la forza di precompressione genera momenti opposti in segno a
quelli indotti dal peso proprio sia nella regione di momento positivo che nella regione di
momento negativo. Sovrapponendo gli effetti si ricava il seguente diagramma.
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fig. 60 - Effetto della precompressione
I momenti massimi (vedi fig. 61) nella regione di momento positivo nella campata finale
della trave esterna sono ridotti dell’ 11.5% mentre per la trave interna del 10.3%. Nella
zona di momento positivo al centro della campata i momenti sono ridotti del 6.9%, per la
trave esterna, e 6.0 % per quella interna.
fig. 61 - Peso Proprio + Precompressione
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Bibliografia degli articoli “La precompressione delle strutture in acciaio”
Parte I-II-III-IV
•
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ponti a cassone, in “La prefabbricazione” n.5, 1980
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De Miranda F., M. Mele, Travate da ponte presollecitate in acciaio e calcestruzzo collaborante,
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De Miranda F., Ponti a Struttura D’Acciaio, Italsider 1972
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Kawasaki Steel Technical Report N0.21 November 1989, Development of Prestressed Steel Truss
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•
Klaiber e Dunker “Manuale di progettazione per il rinforzo di ponti compositi a singola campata
attraverso il post-tensionamento”
•
Klaiber e Dunker “Rafforzamento di ponti esistenti a singola campata su travi in acciaio e
impalcato in calcestruzzo”
•
Klaiber e Dunker “Studio di fattibilità di rinforzo dei ponti a singola campata in acciaio con
impalcato in calcestruzzo” del 1981
•
Nunziata Vincenzo, Strutture in Acciaio Precompresso, Dario Flaccovio Editore
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Recupero A., La precompressione esterna, Nuovi orientamenti per la progettazione di Ponti e
Viadotti, M. Arici and E. Siviero (Eds), Taormina, 2005
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Department of Civil Engineering, University of Maryland, College Park, Maryland, Ph.D.
Dissertation, July, 1986
•
Scibilia Nunzio Progetto di strutture in acciaio Dario Flaccovio Editore.
•
Seim Charles, Prof. T.Y.Lin And The Development of Prestressed Steel Bridges.
Ingegneria Solazzo S.r.l. – Via Lungarini 129 - 90014 Casteldaccia (PA) – Tel/Fax: 091.942633 – e-mail: [email protected]
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•
Troitsky M.S., “Prestressed steel Bridges”, Van Nostrand Reinhold,1990
•
Virlogeux M., External pretessing, in “IABSE periodica” pp. 101-108, n.2, 1983.
Casteldaccia (PA), lì 17.01.2014
Ing. Francesco Solazzo
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