PROGETTO DI PONTI E VIADOTTI - EFFETTI DELLA VISCOSITA' NEI PONTI A TRAVATA CONTINUA

· Progetto e Sperimentazione di Strutture

· Progetto di Ponti e Viadotti

· EFFETTI DELLA VISCOSITÁ NEI PONTI A TRAVATA CONTINUA

· Marco Bozza

· INTRODUZIONE

· VARIABILITA' DEGLI SCHEMI STATICI

· ELEMENTI STRUTTURALI DI CALCESTRUZZO CON DIFFERENTI ETA' DI MATURAZIONE

· ELEMENTI STRUTTURALI SOGGETTI AD AZIONI DI PRE-TENSIONE O POST-TENSIONE

· VARIABILITA' GEOMETRICA

· ELEMENTI STRUTTURALI A SEZIONE MISTA ACCIAIO-CALCESTRUZZO

INTRODUZIONE

E' noto che il calcestruzzo, soggetto a carichi permanenti, manifesta delle deformazioni differite nel tempo che crescono, a partire dalla deformazione elastica istantanea, con velocità sempre minori fino a stabilizzarsi dopo vari anni. L'aspetto duale di questo fenomeno fisico è rappresentato dal rilassamento del calcestruzzo, ovvero si manifestano delle tensioni differite nel tempo che, a partire dal valore iniziale elastico, decrescono progressivamente nel tempo fino a stabilizzarsi ad un valore costante. Questo fenomeno, detto viscosità o fluage, è molto importante, perché la parte lenta differita della deformazione arriva, di norma, a superare nettamente in valore la parte elastica istantanea manifestata all'atto dell'applicazione del carico. Il comportamento strutturale del calcestruzzo è quindi dipendente dal tempo. Nei ponti, in particolare, questo comportamento è, inoltre, fortemente influenzato da vari fattori:

- variabilità degli schemi statici;

- elementi strutturali di calcestruzzo con differenti età di maturazione;

- elementi strutturali soggetti ad azioni di pre-tensione o post-tensione

- variabilità geometrica;

- elementi strutturali a sezione mista acciaio-calcestruzzo.

VARIABILITA' DEGLI SCHEMI STATICI

La costruzione di ponti e viadotti in calcestruzzo armato, o a sezione mista calcestruzzo-acciaio, infatti, prevede fasi costruttive, tecnologie operative e tempi di esecuzione caratterizzate da schemi strutturali statici, che cambiano a seconda della fase che si considera, sebbene questa variabilità si manifesti e si esaurisca in un transitorio temporale di breve durata. Le variazioni di schema statico sono dovute all'applicazione di vincoli parziali o definitivi, il cui effetto è quello di impedire o modificare l'evoluzione dello stato deformativo della struttura prodotto dalle azioni preesistenti all'introduzione dei vincoli stessi. La conseguenza è l'insorgere di stati tensionali variabili nel tempo, che possono influenzare, in maniera sensibile, la risposta strutturale che si avrebbe in assenza di deformazioni differite. A queste fasi è inoltre associata una disomogeneità reologica, variamente distribuita lungo la linea d'asse degli elementi portanti. E' questo il caso delle travi formate da conci prefabbricati solidarizzati mediante cavi di presollecitazione, oppure da impalcati autovaranti mediante avanzamento a spinta o ancora nei ponti a travata continua realizzati mediante carri di varo a struttura metallica. Nel caso della presollecitazione, l'analisi degli effetti iperstatici sulle deformazioni viscose può essere valutata in modo approssimato trascurando l'interazione fra la variazione della forza di precompressione nei cavi e il regime di azioni iperstatiche nei vincoli sovrabbondanti. Questa ipotesi, sebbene in linea di principio comporti la violazione delle condizioni rigorose di congruenza nelle sezioni trasversali, dà luogo ad errori trascurabili, consentendo di analizzare strutture complesse mediante formulazioni teoriche semplificate. Ciò consente l'analisi del comportamento a lungo termine in due situazioni:

- analisi a lungo termine di strutture a vincoli preesistenti

- analisi a lungo termine di strutture a vincoli posticipati

Analisi a lungo termine di strutture a vincoli preesistenti

Nell'ipotesi di struttura omogenea e che l'interazione fra la variazione della forza di precompressione nei cavi e il regime delle azioni iperstatiche nei vincoli sovrabbondanti sia trascurabile, la precompressione può essere assimilata ad un sistema equivalente di carichi distribuiti e azioni concentrate variabili nel tempo, indipendente dall'evoluzione delle reazioni iperstatiche. Ne segue che per strutture omogenee valgono i teoremi della viscosità lineare, e di conseguenza il regime delle sollecitazioni parassite dovute alla precompressione può essere calcolato mediante un'analisi strutturale condotta in campo elastico.

Analisi a lungo termine di strutture a vincoli posticipati

La formulazione analitica risulta ulteriormente semplificata nell'ipotesi di struttura omogenea e di vincoli realizzati in tempi prossimi a quelli di applicazione dei carichi e della precompressione.

ELEMENTI STRUTTURALI DI CALCESTRUZZO CON DIFFERENTI ETA' DI MATURAZIONE

Le tecniche costruttive che prevedono più fasi operative comportano significative eterogeneità nel comportamento meccanico differito del calcestruzzo, in quanto le varie parti strutturali risultano costituite da materiale avente differente età di maturazione. Si pensi ad esempio agli impalcati realizzati con travi prefabbricate a sezione aperta e solidarizzate, mediante connettori, con una soletta collaborante realizzata in opera. In questa situazione all'interfaccia trave-soletta nascono delle forze di interazione che influenzano pesantemente lo stato tensionale e deformativo. La conseguenza è che in queste tipologie strutturali non è possibile disaccoppiare il problema sezionale da quello strutturale globale, anche in presenza di schemi isostatici.

ELEMENTI STRUTTURALI SOGGETTI AD AZIONI DI PRE-TENSIONE O POST-TENSIONE

Uno degli aspetti fondamentali che si devono affrontare nella progettazione delle travi da ponte è la valutazione della variazione temporale della forza di presollecitazione. Per affrontare questo problema si devono prendere in considerazione molteplici fattori fra loro interagenti, al fine di valutare la variabilità dello stato tensionale delle armature di precompressione. Oltre all'entità delle azioni permanenti e al loro tempo di applicazione, occorre distinguere i seguenti contributi:

- presollecitazione per post-tensione

- presollecitazione per pre-tensione

- rilassamento dell'acciaio

Presollecitazione per post-tensione

In questo caso viene impressa una deformazione relativa di carattere elastico fra acciaio e calcestruzzo. Poiché nella post-tensione i cavi vengono successivamente resi aderenti al calcestruzzo mediante iniezione delle guaine, essi agiscono come vincoli elastici posticipati nei riguardi delle azioni applicate prima della loro solidarizzazione.

Presollecitazione per pre-tensione

Nella pre-tensione la deformazione viene impressa all'acciaio in presenza di deformazione nulla del calcestruzzo. Al contrario della post-tensione, in questo caso le armature di precompressione risultano da subito aderenti al calcestruzzo, in modo tale che esse agiscono come vincoli elastici preesistenti nei confronti di qualsiasi azione permanente.

Rilassamento dell'acciaio

Il problema del rilassamento dell'acciaio riguarda, nei casi pratici, solo gli acciai da precompressione, venendo questi tesati ad una tensione di tiro iniziale molto elevata. Infatti l'acciaio presenta evidenti fenomeni di viscosità quando il livello di sollecitazione è molto alto, superiore al 50% della tensione caratteristica di rottura f_ptk. In queste situazioni i cavi aderenti al calcestruzzo (o bloccati con dispositivi meccanici), nell'ipotesi di trascurare il ritiro, hanno una lunghezza praticamente costante, e il rilassamento causa una riduzione di tensione. Questa perdita di tensione per rilassamento viene generalmente espressa come percentuale della tensione iniziale e dipende dal livello di tensione inizialmente impresso alle armature di precompressione. Considerare questo fenomeno significa svolgere un'analisi non lineare, che implica, necessariamente, a dover ricorrere a procedure iterative per ottenere una soddisfacente convergenza dei risultati. Tuttavia, considerando che per i trefoli di acciaio ad alta resistenza la riduzione tensionale relativa dovuta al rilassamento non supera il (4¸5)% e che tale fenomeno si riduce notevolmente in tempi molto limitati (dell'ordine di 1000 ore), si può ritenere che la perdita per rilassamento avvenga istantaneamente. In altri termini, in prima approssimazione, e a favore della sicurezza, si può ipotizzare che la variazione tensionale dovuta al rilassamento dell'acciaio si esaurisca nella fase di applicazione della presollecitazione, in modo tale che si può assumere come valore iniziale della tensione di pretensione quello impresso mediante i martinetti di tesatura diminuito della perdita di rilassamento assunta di tipo istantaneo. Così facendo si trascura l'interazione fra il rilassamento delle armature e le deformazioni lente del calcestruzzo, le quali, riducendo l'entità della deformazione inizialmente impressa alle armature, darebbero luogo ad una corrispondente riduzione delle perdite di rilassamento nelle armature stesse.

Nella realtà la deformazione dei cavi non è rigorosamente costante nel tempo, ma si riduce per effetto della viscosità e del ritiro del calcestruzzo: per questo motivo le perdite per rilassamento sono minori di quelle teoriche. Per ovviare in parte a questo problema si ricorre agli acciai stabilizzati: mediante una procedura iniziale di pretensione ad una appropriata temperatura questi acciai presentano un rilassamento molto basso (1¸2%). Un'altra possibilità consiste nell'eseguire una ritesatura dei cavi che annulli in parte queste perdite. E' importante anche sottolineare che l'entità del rilassamento è funzione della temperatura: temperature elevate comportano maggiori perdite per rilassamento (temperature elevate si hanno ad esempio negli elementi strutturali in calcestruzzo maturati a vapore).

VARIABILITA' GEOMETRICA

Un'influenza non trascurabile sulla risposta a lungo termine della struttura è dovuta alla presenza di possibili variabilità geometriche, in particolare dello spessore degli elementi strutturali.

ELEMENTI STRUTTURALI A SEZIONE MISTA ACCIAIO-CALCESTRUZZO

Nei ponti a sezione mista coesistono elementi strutturali in calcestruzzo con elementi di acciaio, questi ultimi caratterizzati da un comportamento meccanico di tipo istantaneo. La presenza degli elementi d'acciaio nella sezione induce a considerare la reciproca influenza che i due materiali esercitano all'interfaccia di separazione (l'acciaio non è soggetto a fenomeni viscosi) sia a livello di analisi nella sezione, sia a livello globale con effetti sull'intera struttura.