Dalla post-tensione ai ponti di grande luce alle tensostrutture

L’evoluzione della tecnologia legata ai sistemi di precompressione ha permesso la realizzazione di strutture sempre più ambiziose. In particolare si è passati da sistemi relativamente semplici a sistemi tecnologicamente più avanzati, di tipologie differenti e progettati per rispondere a precise esigenze che sono andate progressivamente emergendo.

precompressione-cta-700.jpg

L'evoluzione dei sistemi di precompressione

Questa è una parte della mia storia di ingegnere ed imprenditore.
Mi sono trovato a progettare il “precompresso” senza averlo studiato al Politecnico e, come molti ingegneri della mia generazione, dopo un anno di attività, che per me era lo studio di Amedeo Gervaso, partecipavo alla progettazione di decine di ponti in c.a. precompresso. Così è nata la mia cultura sui “cavi” e “sui sistemi”: si imparava producendo e bisognava apprendere la tecnologia per poterla applicare alle strutture che si elaboravano.
Quando poi divenni imprenditore, e avvenne dopo pochi anni con il mio ingresso nel capitale della Tensacciai, la mia attività di ingegnere fu ovviamente portata anche a cercare le possibili estensioni dell’applicazione della nostra tecnologia.

Lo sviluppo dei sistemi portava ad una strada che si evolveva naturalmente, da cavi di piccola portata a cavi di grande portata: questo fatto, unito alla evoluzione dei sistemi costruttivi dei cantieri dei ponti, portò ben presto a soluzione tecnologiche obbligate. Mentre alla fine degli anni sessanta il sistema più utilizzato era ancora a fili, fatto che obbligava a realizzare i cavi a terra, alla fine degli anni settanta la dimensione dei cavi era molto aumentata e anche i sistemi costruttivi e pure le tipologie delle strutture erano mutate: non più ponti a travi, travi generalmente da 30 m, ma ponti a cassone, con luci più grandi e costruiti con sistemi in avanzamento.

La nuova realtà comportava obbligatoriamente un aumento della dimensione dei cavi e ovviamente un adeguamento delle attrezzature: questi nuovi cavi più potenti, non si potevano più prefabbricare su banchi, ma dovevano essere infilati in opera.

Questa necessità oggettiva indirizzò la post-tensione verso il trefolo, in sostanza verso il trefolo da 15 mm perché era il più facile da infilare e perché era il più disponibile sul piano industriale.

Le altre tecnologie scomparvero, gli ancoraggi dovettero essere compattati in blocchi e la tensione applicata con un unico martinetto monogroup.

Con relativamente non importanti variazioni, tutti i principali sistemi arrivarono a proporre la medesima soluzione di base.
L’ho fatta breve, ma era necessario spiegare il perché di tante evoluzioni tecniche e delle loro conseguenze.

L’altro evento che cambiò la tecnologia dei sistemi a cavi scorrevoli fu l’evoluzione della tecnologia della passivazione dell’acciaio armonico.

Questo è sempre stato un problema e in parte lo è tuttora. Con l’aumentare della potenza dei cavi lo divenne ancora di più: la struttura aveva bisogno per tutta la durata della sua vita di poter contare sulla integrità della forza indotta dall’acciaio armonico dei cavi: i cavi erano singolarmente troppo importanti per poter rischiare di perderne anche la sola efficienza singolare. Ovviamente ci fu una grande evoluzione nella tecnologia delle boiacche di iniezione, ma ci fu qualcuno, che ebbe l’intuizione dei “cavi esterni”.

L'arrivo dei cavi esterni

Questa fu la vera rivoluzione degli anni ’80: da allora nulla fu più come prima.

Naturalmente il tono è ironico, ma non eccessivamente: quando noi, giovani ingegneri, iniziammo a progettare il “precompresso” (si chiamava così, solo anni dopo si cambiò, giustamente, il nome in post-tensione), una delle regole fondamentali era il rispetto della teoria di Saint-Venant della omogeneità del calcestruzzo, perciò sarebbe stato “eretico” violare con l’acciaio armonico dei nostri cavi il sacro principio: i cavi erano rigorosamente in guaine metallica e questo insieme, veniva omogeneizzato con l’iniezione ed il modulo di Poisson. Mi ricordo che trovavo questo aspetto un po’ ridicolo: non era strano questo trasformare l’acciaio in calcestruzzo? Ma del resto non è forse vero che lo scopo della post-tensione era, con l’eliminazione della trazione, di fare assomigliare il calcestruzzo a un materiale omogeneo?

Lo si faceva, e lo si fa, eliminando la trazione e buttando fuori dalle sezioni reagenti l’asse neutro! Così facendo si potevano calcolare le strutture con le tensioni ammissibili mediante verifiche a pressoflessione. Il nostro scopo era fare lavorare tutti i materiali in gioco al massimo carico possibile in ogni condizione di carico. Per inciso questo eccesso di razionalizzazione dei materiali é l’origine di tanti guai che abbiamo avuto nei ponti di quel nostro passato: furono poi i Congressi del CEB, della Fip, poi diventate Fib, a mutare la visione, introducendo i concetti di Robustness, Durability e Redundacy e introducendo i nuovi criteri di calcolo agli stati limite.
Ci fu comunque a un certo punto un ingegnere, certo un grande progettista, a proporre, che il cavo uscisse dalle anime delle sezioni e viaggiare libero come una forza esterna. Forse fu Jean Muller. Questo fu possibile perché si cominciava appunto a calcolare le strutture con gli stati limite. Questi concetti oggi appaiono ovvi, ma ancora nel 2008 le Nuove Norme Tecniche delle Costruzioni ebbero difficoltà ad accettare pienamente gli Eurocodici e la regola degli stati limite.

In ogni caso il cavo “esterno” alla struttura semplificava la progettazione ed anche l’esecuzione della sezione strutturale e introduceva delle variazioni costruttive tali da rendere più facile la gestione della manutenzione delle opere. Il cavo, appena fuori dalle aree degli ancoraggi di testata, risulta anche visibile e quindi anche più facilmente controllabile e le zone di deviazione possono essere previste con tubi separati, permettendo quindi la rimozione e la sostituzione del cavo: sono questi concetti che introdussero per la prima volta il concetto di ponte “macchina”, cioè una struttura, dove, in particolari condizioni, anche le principali componenti strutturali, potevano essere “sostituite”.

Perché è importante questa evoluzione dell’applicazione dei cavi esterni?

Il passaggio al cavo esterno ha comportato varie nuove possibilità. Prima i cavi erano ancora formati da trefoli nudi in condotti di polietilene ad alta densità. La passivazione era prevista come sempre con iniezione di boiacca cementizia. Il fatto che fossero iniettati non impediva la sostituzione.

Il passo successivo fu utilizzare trefoli singolarmente protetti, quelli che vengono chiamati umbonded tendons (gli umbonded strand sono prodotti industrialmente) e quindi un cavo formato di questo prodotto, già protetto naturalmente, può prescindere dalla iniezione e la protezione può limitarsi alle zone di ancoraggio dove agiscono le morsettiere con varie soluzioni, inclusa quella dell’utilizzo di materiali soffici, prima grassi poi cere.

Conclusione di questa evoluzione è che sono stati disponibili sistemi a trefoli, dove la formazione del cavo viene realizzata in opera mediante operazioni di infilaggio con specifiche attrezzature e dove i trefoli possono anche essere ingrassati e viplati, cioè singolarmente protetti.

Sono quindi cavi a maggiore protezione: il grasso che attornia il trefolo, la singola guaina del trefolo, ed infine il tubo in phde che avvolge il cavo: la eventuale possibile ulteriore iniezione, sarebbe ridondanza.

Come si può facilmente intuire il cavo esterno è stato un passaggio tecnico indispensabile e prodromo alla ipotesi di applicare il medesimo principio agli stralli da ponte.

Gli stralli non sono forse “cavi esterni”?

Infatti c’è stato un passaggio intermedio che è stato quello dei ponti extradossati, cioè quei ponti dove i cavi esterni, non viaggiano più all’interno dei cassoni, ma escono e si ancorano su delle antenne in corrispondenza delle pile: è evidente che questa soluzione consente una estensione delle possibilità di incrementare le luci, risparmiando materiali, pile e fondazioni e migliorando l’impatto ambientale di queste strutture.
La strada era tracciata: naturalmente si sono dovute risolvere molti problemi di efficienza degli ancoraggi; soprattutto relativi alla resistenza a fatica, perché in queste strutture le variazioni di carico insistono soprattutto sugli ancoraggi dei cavi, anche se non solo.

copertina-cm2-2020.jpgArticolo tratto dalla rivista Costruzioni Metalliche 02/2020

Per acquistare il singolo numero o abbonarsi alla rivista cartacea o digitale vai sul sito del CTA

Si ringrazia il CTA per la gentile collaborazione

I ponti strallati

Chi, come la gran parte dei lettori di questo prestigioso magazine, conosce la storia dei grandi ponti, è a conoscenza che il ponte strallato è una storia relativamente recente.

All’ inizio dell’800, quando si cominciò a studiare come superare luci più impegnative di quelle possibili con i ponti ad arco in muratura o con le prime travature reticolari in ferro, due ingegneri costruirono, basandosi su teorie più antiche, sostanzialmente le invenzioni di Fausto Veranzio, che ne aveva pubblicato uno schema nel XVII secolo (per altro assieme al ponte sospeso), due ponti strallati. Questi due ponti, uno costruito in Inghilterra nel 1818 sul fiume Tweed e l’altro in Germania nel 1824 sul fiume Saal, crollarono. Non ho approfondito la ricerca del motivo di quei crolli, ma la conseguenza fu che le perizie dell’epoca arrivarono alla conclusione che questo schema era pericoloso e pertanto fu fortemente sconsigliato e sostanzialmente abbandonato per più di un secolo: ponti a grande luce si costruirono solo sospesi.
Questa strana storia fece sì che quando si ricominciò a parlare dei ponti strallati si era agli anni ’50 del secolo scorso, proprio quando stavano nascendo i sistemi di precompressione.

Il ponte strallato in realtà, ha molti vantaggi rispetto al ponte sospeso: è meno deformabile, e soprattutto prevede un impiego di acciaio ad alta resistenza molto inferiore rispetto al ponte sospeso. Ma soprattutto, il ponte strallato può indifferentemente essere realizzato con impalcato in calcestruzzo strutturale o in ferro. È pertanto molto più versatile e ha dei vantaggi costruttivi rispetto al ponte sospeso.

In Italia questi ponti ebbero una propulsione anche perché a questo tema si dedicò l’ing. Fabrizio de Miranda, il progettista dell’ Indiano a Firenze, del ponte di Rande e di tante altre importanti e audaci strutture, che mise a punto un sistema di calcolo estremamente vantaggioso che permise, affidando un momento d’inerzia allo strallo, di calcolare questi ponti come telai: un sistema di calcolo che coincideva spesso o quasi sempre, con la tecnica costruttiva di questi ponti, cioè a conci in avanzamento con stralli per ogni concio o serie di conci.

A differenza del ponte sospeso, al ponte strallato non basta che il cavo trovi la sua forma, ma è necessario indurre una forza nel cavo che lega l’antenna all’impalcato e questa forza induce anche una deformazione del cavo che viene utilizzata per correggere eventuali variazioni geometriche e allineare l’impalcato. Quindi, come per i cavi di post-tensione si rende necessario operare con dei martinetti per indurre tensioni e allungamenti.

Ma per tornare al problema dei cavi, il fatto che la progettazione di questi ponti coincidesse con la nascita dei sistemi di post-tensione, è dimostrata dall’invenzione di applicazione dei cavi che il maggiore progettista di ponti di quegli anni, che era Fritz Leonhardt, mise a punto con gli ingegneri della BBRV, il cui sistema di post-tensione a fili era certamente quello tecnicamente più brillante di quel periodo.

Fu l’invenzione di uno strallo che fu denominato HI-AM: la sostanza dell’invenzione fu l’ancoraggio. Il sistema BBR prevede l’ancoraggio di fili di acciaio armonico, quasi sempre di 7 mm di diametro, al blocco finale mediante rifollazione a freddo: dopo la messa in tensione il blocco filettato viene bloccato alla piastra con una ghiera.

Per rendere questo sistema in grado di garantire la resistenza a fatica, Leonhard e gli ingegneri della BBR misero a punto un ancoraggio chimico a base di resina epossidica additivata con sfere di acciaio per bloccare definitamente il blocco di ancoraggio: in tal modo si evitava che le testine dei fili si staccassero sotto l’effetto dei carichi ripetuti.

Naturalmente con questo sistema lo strallo deve essere completamente prefabbricato a terra e poi posto in opera con particolari attrezzature di sollevamento al fine di permettere l’allineamento dei cavi, il collegamento ai martinetti e la sua messa in tensione. La protezione alla corrosione di questi cavi era sempre con l’iniezione di boiacca cementizia.
Così sostanzialmente gli stralli ebbero una ripartenza per il fatto che fosse disponibile una solida tecnologia di riferimento relativa a un sistema di post-tensione.

L’evoluzione dello strallo da ponte ha subito la stessa logica del cavo da post-tensione.

Da un lato, con l’aumentare delle prestazioni necessarie per i cavi, si rendevano necessarie potenze sempre più elevate, il che vuol dire dimensioni e pesi sempre maggiori. Inoltre come nella post-tensione, il filo ha una resistenza a rottura più bassa del trefolo e quindi, utilizzando i trefoli, le quantità potevano essere ridotte. Dall’altro lato il trefolo presentava un grande vantaggio industriale: esisteva il trefolo singolarmente protetto, l’umbonded tendon. Questo trefolo si poteva senza particolari difficoltà produrre pure galvanizzato. Questo voleva dire che le Società specialiste sono state in grado di offrire già in partenza tre ordini di protezione anticorrosiva sul materiale, al quale si aggiunge la guaina esterna, comunque necessaria per supplire i fenomeni aerodinamici.
Quindi i sistemi di strallo sono diventati sempre di più sistemi a trefoli T15, con l’uso del trefolo protetto, la cui tecnologia è stata adeguata e migliorata con vari accorgimenti,  caratteristici dei vari sistemi. 

ponte-strallato-prevedini.JPG

È oggi consolidato un sistema strallo che non ha più necessità di iniezioni, come era prima con gli Hi-Am: queste iniezioni sarebbero oggi anche impossibili per i volumi in gioco, per il peso, che deformerebbe ulteriormente gli stralli, che oggi ormai arrivano nei ponti più estesi a misurare anche centinaia di metri e anche per le forze in gioco: gli stralli oggi hanno normalmente dimensioni da 55 a 90 trefoli T15 ma si sono realizzati cavi oltre i 160 trefoli T15.

Ma il vantaggio assoluto dei nuovi sistemi è che i trefoli vengono infilati in opera dalle teste di ancoraggio sugli impalcati alle teste sulle antenne con semplici giochi di carrucole, il che rende il montaggio del sistema complessivo, guaine comprese, estremante semplice e coerente con la organizzazione del cantiere.

Questa evoluzione si è accompagnata con tutte le necessarie operazioni di sicurezza e certificazione. Credo che sia difficile trovare un sistema più seriamente testato, con prove statiche e a fatica come i sistemi stralli di questo tipo. Oggi il ponte strallato è una delle operazioni di ingegneria civile più dense di certificazioni e collaudi.

Le tre caratteristiche della moderna cultura dell’ingegneria, cioè robustezza, durabilità e ridondanza sono qui perfettamente rappresentate.

Va aggiunto che questi cavi sono nati per essere sostituibili. Sono nati anche per essere monitorati con continuità.

Nelle ormai quasi duecento opere che ho visto realizzare da organizzazioni che ho seguito, ho verificato che gli incidenti sono quasi nulli e marginali.
La conclusione è che la disponibilità di tecnologia, la specializzazione e la capacità operativa di imprese specializzate ha enormemente favorito in pochi anni la diffusione di questo schema strutturale che pure aveva avuto più di un secolo di moratoria dopo il crollo di quei lontanissimi due primi ponti: dagli anni ’80 ad oggi i ponti strallati realizzati sono sicuramente misurabili a parecchie centinaia. Certamente una bella rivalsa dopo quel secolo abbondante di moratoria!

L'articolo continua nel PDF, scaricabile sotto, con la trattazione delle tensostrutture e dei ponti sospesi