Ponti strallati

Sviluppo, risultati e possibilità

Le strutture strallate sono i sistemi di ponti più giovani, in più rapido sviluppo e più promettenti.

I ponti strallati sono una sottocategoria di strutture sospese. Un ponte strallato è simile a un ponte sospeso in quanto ha torri e un ponte-trave sostenuto da cavi; tuttavia, i suoi cavi diagonali trasferiscono i carichi verticali dal ponte direttamente alle torri. Così, l’impalcato principale di un ponte strallato funziona come una trave continua su supporti di cavi (più flessibili dei supporti dei pilastri) con una forza di compressione aggiuntiva su tutto l’impalcato. Un ponte strallato è anche un sistema precompresso in quanto i suoi supporti sono ulteriormente tesi per controbilanciare una parte significativa dei carichi verticali sulla trave principale.

Il ponte Strömsund in Svezia, completato nel 1956 con una campata principale di 182 metri (597 piedi), è considerato il primo ponte strallato moderno. Per i successivi 65 anni, i ponti strallati hanno visto un drammatico aumento sia nel numero di nuove strutture che nelle realizzazioni a lunga campata. Nel 1995, c’erano solo 3 ponti strallati con luci superiori a 500 metri (1.640 piedi); 25 anni dopo, ci sono già 67 ponti strallati con luci superiori a 500 metri (inclusi tre oltre 1.000 metri o 3.280 piedi). Altri 29 con campate oltre i 500 metri, con alcuni oltre 800 metri (2.624 piedi), sono attualmente in costruzione.

La gamma efficiente dei ponti strallati si sta muovendo verso campate ancora più lunghe. Non c’è nessun altro sistema strutturale di ponti che mostra uno sviluppo così rapido. La maggior parte dei ponti strallati sono visivamente belli, e alcuni sono tra le più impressionanti realizzazioni ingegneristiche.

Origini e precedenti

L’idea del sistema strallato fu forse ispirata dai ponti levatoi dei castelli medievali e dagli alberi a fune delle navi alte. La prima immagine documentata di un ponte strallato appare nel Machinae Novae, un libro di Fausto Veranzio pubblicato nel 1615.

Predecessori dei moderni ponti strallati apparvero nel XIX secolo sotto forma di diverse combinazioni ibride di sistemi di sospensione con ulteriori cavi dritti diagonali, come nel caso dell’Albert Bridge, UK (1873). La più nota di queste strutture ibride è il Ponte di Brooklyn, New York, 1883, con una campata principale di 486 metri (1.594 piedi), per il quale John Roebling usò cavi diagonali per irrigidire la struttura.

Negli anni 1960 e 1970, il sistema fu sviluppato ulteriormente per sostituire molti dei ponti distrutti in Germania durante la seconda guerra mondiale. In questo periodo, il sistema fu usato anche per strutture di copertura che richiedevano spazi lunghi e senza colonne negli edifici. Inizialmente, le strutture strallate erano usate per campate di ponti da 60 a 250 metri (da 196 a 820 piedi), ma oggi coprono distanze molto più lunghe e sono l’unico sistema che sfida i ponti sospesi in campate super-lunghe. Le loro campate sono cresciute a 302 metri (990 piedi) nel 1959 con il Ponte Severin (Germania), a 404 metri (1.325 piedi) nel 1974 con il Ponte Saint Nazaire (Francia), e 856 metri (2.808 piedi) nel 1995 con il Ponte Normandia di Michel Virlogeux (Francia). Oggi, il Russky Island Bridge (Russia) ha la campata più lunga di questo sistema, 1.104 metri (3.622 piedi) raggiunti nel 2012 (Figura 1).

Negli Stati Uniti, possiamo menzionare il secondo Sunshine Skyway Bridge con una campata di 366 metri (1.200 piedi) nel 1987 (Florida), il Dames Point Bridge con una campata di 396 metri (1.300 piedi) in Florida, e l’Arthur Ravenel Bridge con una campata di 471 metri (1.545 piedi) nel 2005 (South Carolina).

Specifiche del sistema

Gli elementi principali di un ponte strallato sono torri o piloni, travi di coperta, stralli, ancoraggi e fondazioni. Torre e pilone sono termini intercambiabili; le torri più leggere e sottili sono spesso chiamate piloni. I classici ponti strallati sono simmetrici con una campata centrale, due campate laterali e due torri; tali sono la maggior parte dei ponti strallati con campate superiori ai 600 metri. I cavi di back-up possono estendersi su diverse campate laterali.

I ponti strallati asimmetrici hanno una campata principale e una campata laterale, con una sola torre. I ponti strallati a più campate hanno due o più campate principali (di solito uguali). Diversi esempi sono mostrati nella Figura 2.

Alcune suddivisioni sono usate per i ponti strallati: extradosed, under-spanned (under-deck), cradle, inverted Fink truss, e tensegrity. I cavi alle torri possono essere disposti in parallelo (arpa), a ventaglio, a stella o in configurazione mista. Varie soluzioni strutturali sono usate per le torri: piloni singoli, portali a doppia gamba (verticali, leggermente angolati, indipendenti, o interconnessi come un telaio di portale, con archi a forma di “A”, “H”, “Y”, o “Y” rovesciata).

Le torri possono essere continue sopra e sotto l’impalcato sostenendo sia l’impalcato che i cavi, o la parte superiore può sostenere solo i cavi mentre l’impalcato-trave è sostenuto direttamente dai piloni. Alcuni esempi sono mostrati nella figura 3.

I principali materiali di costruzione usati nei ponti strallati sono:

• Per gli impalcati: cemento armato o precompresso, cemento composito-acciaio, o impalcati in acciaio ortotropo;
• Per gli impalcati-travi: travi di cemento precompresso o acciaio, travi a cassone di cemento precompresso o acciaio, simili a quelle dei moderni ponti sospesi;
• Per le torri: acciaio, cemento armato o precompresso, composito acciaio-calcestruzzo;
• Per i cavi: fili di acciaio ad alta resistenza, solitamente di grado 270 (270 ksi, o 1.860 MPa), costruiti con 7 fili, ⅜ pollici (9.5 millimetri) secondo ASTM A886, altri fili d’acciaio di grado superiore, polimeri rinforzati con fibre di carbonio (CFRP) o compositi. Il calcestruzzo precompresso è stato usato in passato, ma dovrebbe essere evitato in quanto si è dimostrato non sicuro in alcuni fallimenti come il ponte Morandi;
• Per i pilastri e le fondazioni: cemento armato con o senza pali a seconda del terreno.

Per ponti a lunga campata, fondazioni su terreni morbidi, o per ponti in aree altamente sismiche, è preferibile usare strutture prevalentemente in acciaio per ridurre il peso proprio e le relative forze sismiche.

Progettazione concettuale

La parte più importante della progettazione di un ponte è il concetto generale della struttura e dei suoi elementi: la selezione del sistema strutturale appropriato per il ponte considerando la sua funzione specifica, la posizione del sito e le luci richieste. Un concetto ben selezionato determina l’efficienza e l’economia del ponte, risparmia materiali, costi e tempi di costruzione. I buoni concetti di progettazione minimizzano i problemi e le difficoltà future sia nell’ufficio di progettazione che in cantiere.

Per la progettazione dei primi ponti strallati, gli ingegneri usavano un numero relativamente piccolo di cavi. Dopo aver acquisito maggiore esperienza e con l’introduzione del software di progettazione strutturale, gli ingegneri furono in grado di usare un numero maggiore di stralli, riducendo la domanda sulla trave del ponte e portando ad una maggiore efficienza e a luci più lunghe.

Le basi della progettazione dei ponti strallati sono le seguenti: i carichi verticali sul ponte sono supportati da stralli diagonali che trasferiscono questi carichi alle torri. Alla torre, le componenti orizzontali dei cavi della campata principale sono in equilibrio con quelle delle campate laterali/adiacenti. Le torri sostengono e trasferiscono il carico verticale alle fondazioni. Allo stesso modo, le componenti orizzontali cumulative di compressione dei carichi dalla campata principale sono in equilibrio con le componenti di carico di compressione delle campate laterali. Quindi, l’intero sistema del ponte è in equilibrio con le forze di compressione predominanti nelle torri e nel sistema della copertura, e con le forze di tensione negli stralli dei cavi. Il sistema è auto-equilibrato, a condizione che tutti gli elementi siano progettati correttamente per sostenere la massima richiesta dalla più alta combinazione possibile di carichi.

La sfida per l’ingegnere progettista è quella di selezionare una combinazione appropriata delle molteplici possibili variazioni di torri, disposizioni dei tiranti e sistemi di impalcato. Come tutte le strutture sospese, i ponti strallati sono sensibili alle deformazioni ed è necessario controllare la condizione deformata del sistema per tutte le combinazioni di carico, comprese quelle durante le diverse fasi di costruzione.

I software di progettazione strutturale di oggi aiutano molto gli ingegneri nel calcolo dei ponti strallati. Dopo aver scelto i parametri principali del sistema, è essenziale stabilire le dimensioni di partenza e le sezioni dell’impalcato-trave, dei cavi e delle torri. Un semplice approccio progettuale aiuterà a stabilire queste dimensioni.

Per cominciare, il progettista può usare una trave sostitutiva semplicemente supportata per determinare i momenti flettenti approssimativi per la trave-ponte della campata principale. La pretensione dei tiranti verso l’alto può compensare la maggior parte dei momenti dai carichi permanenti sull’impalcato. Questo si ottiene con un’ulteriore tensione dei cavi dopo aver eretto gli elementi principali per contrastare i carichi permanenti, con il risultato di una minima flessione verticale nell’impalcato-trave. I cavi dovrebbero essere ulteriormente tesi per contrastare il 50% dei carichi temporanei combinati verso il basso (carichi vivi, vento, neve, ghiaccio e terremoto). In questo modo, i momenti flettenti di lavoro della trave di coperta varieranno durante il funzionamento approssimativamente tra il 50% dei momenti positivi (dalla peggiore combinazione di carico temporaneo) e il 50% dei momenti negativi dei carichi temporanei. Questo “primo passo” determina i momenti di progetto per la trave di coperta della campata principale. La compressione nella trave di coperta dovuta alle componenti orizzontali delle forze di strallo dei cavi è la somma cumulativa di queste componenti, circa il 55-65% dei carichi verticali totali sulla campata principale, a seconda della campata, il numero di cavi e l’altezza dei collegamenti dei cavi alla torre. La forza di compressione cumulativa (ΣPc) nell’impalcato-trave è uguale alla somma di tutte le forze di compressione Pci ai collegamenti dei cavi (Figura 4) all’impalcato: la forza del cavo teso Pcable = Pv/sin α,

Pci è la forza di compressione nella trave di coperta dalla componente orizzontale della forza del cavo,

Pvi è la forza verticale DL + LL applicata alla connessione del cavo alla trave di coperta più la componente verticale della forza di tensione applicata in aggiunta,

Li è la distanza orizzontale da questa connessione alla torre, e

Ht è l’altezza di questa connessione del cavo alla torre sopra la coperta.

Un calcolo iniziale semplificato per la forza di compressione cumulativa è fornito da:

dove:

ΣPc è la forza di compressione cumulativa nell’impalcato-trave, massima alle torri,

ΣPv è la somma di tutte le forze verticali verso il basso sul ponte della campata principale,

Lmax è la lunghezza della campata principale,

Ht è l’altezza delle connessioni dei cavi alla torre sopra il ponte, come mostrato nella Figura 4 per la configurazione dei cavi a ventola o ad arpa, e

Lgr è la lunghezza totale del gruppo di cavi per la configurazione ad arpa.