Valutazione e miglioramento degli impalcati da ponte con una scarsa armatura a taglio: un caso studio

Durante gli anni '60 e '70 molti viadotti autostradali del nostro Paese sono stati costruiti utilizzando travi precompresse semplicemente appoggiate, spesso adottando scarse quantità di rinforzo a taglio secondo le prescrizioni delle normative dell’epoca.

Con gli attuali codici normativi, che si basano su nuovi criteri per le verifiche allo Stato Limite Ultimo (SLU), e che incrementano i carichi da traffico, molte volte l’armatura a taglio dei ponti esistenti non è sufficiente per soddisfare la domanda di taglio derivante dai carichi verticali, se nella verifica si ricorre al convenzionale schema a traliccio.

Una procedura alternativa per la valutazione della sicurezza può consistere nella verifica dei singoli elementi precompressi della campata come elementi senza armatura a taglio nelle regioni non fessurate per flessione. In questo caso la resistenza a taglio dipende dalla tensione di trazione del calcestruzzo e dalla tensione di compressione nel calcestruzzo dovuta alla precompressione.

Con riferimento a un caso studio costituito da un impalcato precompresso di un viadotto autostradale, la memoria mette in luce l’inadeguatezza della resistenza a taglio delle travi principali soggette a carichi da traffico secondo le normative attuali.

In seguito, sono state analizzate differenti strategie per aumentare la resistenza a taglio, tra cui soluzioni che migliorano la capacità a flessione con cavi di precompressione esterna atti a prevenire la fessurazione per flessione agli SLU.

La seguente memoria è stata presentata ad Eurostruct 2021.


Strategie per aumentare la resistenza a taglio delle travi

La valutazione della capacità dei ponti per i carichi verticali da traffico è un tema di grande attualità in Italia. Fino agli anni '90, la progettazione dei ponti si basava su disposizioni normative e metodologie che, nel caso di travi in calcestruzzo precompresso semplicemente appoggiate, prevedevano bassi quantitativi di armatura a taglio [1], spesso consistenti in 3 staffe al metro, con un'area minima di 1,5 b cm2/m, essendo b lo spessore dell'anima espresso in cm. L'approccio si basava sull'ipotesi che non fosse necessaria alcuna armatura a taglio nelle zone in cui la trave non è fessurata a flessione [2], cioè dove la tensione principale di trazione è inferiore alla resistenza a fessurazione del calcestruzzo (espressa come percentuale della sua resistenza a compressione).

Oggi, in accordo con le normative vigenti, nelle membrature precompresse a singola campata senza armatura a taglio si può considerare come capacità di taglio la massima forza di taglio che produce una tensione principale di trazione pari alla resistenza alla fessurazione del calcestruzzo, opportunamente ridotta attraverso fattori di sicurezza parziali. Questo approccio porta a valori più elevati rispetto a quelli ottenuti adottando un modello di trave convenzionale, se la trave ha il minimo numero di staffe.

Le norme attuali suggeriscono anche carichi da traffico più pesanti per i ponti, che normalmente producono forze di taglio più elevate su campate corte [3]. Pertanto, lunghi tratti della trave possono risultare fessurate a flessione, portando alla necessità di adottare un modello di trave convenzionale per la capacità di taglio, con un impatto negativo nella verifica dei ponti esistenti.

Con riferimento a un caso studio di un ponte costituito da un impalcato precompresso, il presente lavoro mostra l'inadeguatezza della capacità di taglio delle travi principali sottoposte agli attuali carichi da traffico. Vengono quindi analizzate diverse strategie di adeguamento per aumentare la resistenza al taglio, comprese le soluzioni che aumentano la capacità a flessione con cavi di precompressione esterni, volti a migliorare la resistenza a fessurazione.

 

Breve sintesi di vecchi e nuovi approcci di progettazione a taglio

Vecchi criteri di progettazione a taglio in Italia

La maggior parte dei ponti e viadotti in cemento armato precompresso, costruiti in Italia intorno agli anni '60 e '70, sono stati progettati con il metodo delle tensioni ammissibili [4] [5], che considera un comportamento elastico lineare dei materiali e un approccio al dimensionamento degli elementi strutturali basato sulle limitazioni delle tensioni principali in condizioni di servizio. In particolare, assumendo un sistema di coordinate destrorse (0,x,y,z) con l'asse z orientato lungo l'asse della trave e ipotizzando una forza di taglio e un momento flettente agenti rispettivamente lungo l'asse y e intorno all'asse x, le Eqq. (1) e (2) forniscono le massime sollecitazioni di compressione e trazione:

ponti-debolmente-armati-a-taglio-1.JPG

dove σc (y,z) è lo sforzo principale di compressione e σt (y,z) è lo sforzo principale di trazione in corrispondenza di una generica fibra di coordinate (y,z). Inoltre, σz (y,z) è lo sforzo normale mentre τyz (y,z) è lo sforzo di taglio; questi ultimi possono essere valutati sotto l'ipotesi di un comportamento lineare del materiale attraverso le formule rispettivamente di Navier e di Jourawski.

Erano imposti dei limiti alle sollecitazioni di compressione ma, soprattutto, la progettazione a taglio delle travi in precompresso escludeva la necessità di staffe se le sollecitazioni massime di trazione soddisfacevano la condizione dell'Eq. (3):

σt (y,z)≤0.02 Rc          (3)

in cui Rc è la resistenza a compressione del calcestruzzo. Se l'Eq. (3) era soddisfatta, non erano necessarie armature a taglio e venivano prescritti i valori minimi delle staffe, che di solito consistevano in sole 3 staffe al metro lungo la trave.

 

Nuovi criteri di progettazione a taglio

L'Eurocodice [6] consente di utilizzare tre diversi approcci per calcolare la resistenza a taglio di una trave in calcestruzzo precompresso, riferiti a:

  • elementi che non richiedono armatura a taglio di progetto (Espressioni 6.2a e 6.2b),

  • elementi precompressi a campata singola (Espressione 6.4),

  • elementi che richiedono armatura a taglio di progetto (Espressioni 6.13 e 6.14).

Per le membrature che non richiedono armature a taglio, la capacità è fornita dal trasferimento del taglio nella zona di compressione, dall'incastro degli aggregati attraverso la faccia della fessura e dall’effetto spinotto dell'armatura longitudinale che attraversa la fessura nel calcestruzzo.

Per le membrature precompresse a campata singola non fessurate a flessione, la resistenza al taglio VRd può essere stimata mediante l'Eq. (4):

ponti-debolmente-armati-a-taglio-2.JPG

dove S e J sono il primo e il secondo momento dell'area della sezione trasversale, b è la larghezza della sezione trasversale nel baricentro, fctd è la resistenza a trazione di progetto, σcp è la sollecitazione di compressione del calcestruzzo nel baricentro dovuta al carico assiale e αl è un coefficiente che dipende dal tipo di cavi. Il termine sotto la radice quadrata rappresenta la sollecitazione resistente a taglio τyz,Rd, cioè la massima sollecitazione a taglio a cui corrisponde il raggiungimento della massima sollecitazione di trazione fctd (Fig. 1).

Infine, per le membrature che richiedono un'armatura a taglio di progetto, la capacità viene valutata attraverso un modello a traliccio, che prevede la presenza di armature a taglio e si basa sull'ipotesi che la trave sia fessurata a flessione.

 

Cerchio di Mohr per un generico elemento di calcestruzzo nel baricentro della trave.

Fig. 1. Cerchio di Mohr per un generico elemento di calcestruzzo nel baricentro della trave.

 

Analisi di un caso studio

 

Il caso studio riguarda un viadotto autostradale con due strutture separate, costi-tuite da impalcati semplicemente appoggiati. Di seguito, dopo una breve descrizione del viadotto, viene illustrata la procedura di verifica a taglio delle travi precompresse, quindi viene presentata e discussa una strategia di adeguamento statico.

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Raoul Davide Innocenzi, PHD student presso il Dipartimento di Ingegneria dell'Università Politecnica delle Marche, illustra lo studio presentato in occasione della prima conferenza di Eurostruct - European Association on Quality Control of Bridges and Structures, svoltasi a Padova dal 29 agosto al 1° settembre 2021. 

 

 

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