Un solo appoggio in pila e nessun vincolo torsionale: il ponte misto curvo sul Tevere

Il secondo ponte sul Tevere a Sansepolcro (AR), progettato da Matildi+Partners ed Eutecne e collaudato nel luglio 2023, è una travata continua mista acciaio-calcestruzzo a cassone su tre campate (43+58+43 m), su curva planimetrica di raggio 160 m. Il tema progettuale è il minimo impatto idraulico e ambientale in alveo: incrementando la luce di scavalco da 42 a 58 m si dimezzano le pile in golena, ridotte a snelli fusti circolari su pali secanti Ø1000. Il sistema di vincolo, con appoggio singolo in pila, isolatori a pendolo attritivo e diaframmi di spalla allargati, governa la torsione indotta dalla curvatura.

INGENIO, grazie alla collaborazione con lo Studio Matildi+Partners ed Eutecne, propone una lettura tecnica del progetto, del sistema di vincolamento, delle fondazioni, delle fasi di montaggio e del collaudo statico eseguito con otto bilici da 44 t.

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Il progetto e la costruzione del secondo ponte sul fiume Tevere a Sansepolcro (AR)

Dal c.a.p. di gara al cassone misto curvo: la revisione di tracciato, luci e impatto in alveo

Nel 2015 il Comune di Sansepolcro (AR) ha indetto una gara per la redazione della progettazione definitiva di un nuovo attraversamento del fiume Tevere. L’obiettivo principale dell’opera era quello di duplicare l’accesso alla città di Sansepolcro, mediante un tracciato alternativo a quello esistente lungo la strada statale SS73 “Senese Aretina”, primo attraversamento a valle della grande diga di Montedoglio e troppo frequentemente soggetto a congestione, nonché di realizzare un collegamento viario moderno, in grado di soddisfare un’ampia gamma di esigenze di traffico: pedonale, carrabile locale e carrabile industriale a servizio della zona industriale del comune in destra Tevere.

Le tre alternative progettuali: arco Langer, impalcato misto e travi in c.a.p.

Il progetto preliminare posto a base di gara prendeva avvio dall’analisi di tre alternative progettuali, diverse per tipologia strutturale e scelta del materiale dell’impalcato.

La prima prevedeva un ponte ad arco Langer metallico, con attraversamento ortogonale e rettilineo dell’alveo, luce pari a 90 m e viadotti di accesso laterali per lo scavalco delle zone golenali; tale soluzione fu scartata in quanto troppo costosa e incompatibile con gli importi economici disponibili, essendo inoltre gravata da un impatto paesaggistico imponente.

La seconda soluzione consisteva in un impalcato misto acciaio–calcestruzzo con cassone equivalente in acciaio ad altezza variabile, articolato su cinque campate per uno sviluppo complessivo di 143 m, con luci pari a 22,50 + 21,50 + 42 + 28 + 29 m; questa soluzione con una campata di scavalco del fiume appena superiore al limite inferiore di 40 m imposto dalle NTC2018 soggiaceva ad una intrusione in golena significativa.

La terza alternativa prevedeva, invece, un impalcato a travata continua in calcestruzzo armato precompresso, sempre su cinque campate, analogo al precedente ma realizzato mediante travi prefabbricate accostate ad altezza variabile rese continue in opera con postcompressione. Quest’ultima soluzione risultava quella prescelta nel progetto preliminare posto a base di gara, soprattutto per ragioni economiche pur presentando una tecnologia che ha mostrato criticità in termini di durata, come insegna il noto crollo della tangenziale di Fossano (CN) nel 2017.

La rettilineità delle travi prefabbricate in c.a.p. imponeva inoltre un attraversamento pressoché rettilineo, con curve di approccio di raggio ridotto, secondo una geometria più tipica dei ponti storici che dei moderni attraversamenti fluviali che sfruttano impalcati capaci di seguire armoniosamente le geometrie più dolci delle strade contemporanee.

Il riesame critico delle ipotesi a base di gara ha informato l’elaborazione della proposta progettuale secondo i principi di migliore risoluzione delle problematiche avendo sempre chiara la realizzabilità agevole e lo sfruttamento della migliore tecnologia disponibile.

Dal ponte rettilineo all’impalcato curvo: sicurezza stradale e inserimento paesaggistico

La prima modifica al progetto preliminare, proposta dal RTP Matildi+Partners Srl – Eutecne Srl, ha riguardato di conseguenza il tracciato dell’opera, aggiornato mediante l’introduzione di un’unica ampia curva planimetrica di raggio pari a 160 m, in luogo di un ponte rettilineo interposto tra due curve di accesso di piccolo raggio.

La variante proposta, oltre a migliorare la fruibilità e la sicurezza stradale, ha significativamente perfezionato anche la percezione visiva dell’opera, consentendo un inserimento nel paesaggio agricolo dell’Alto Tevere maggiormente adeguato al suo valore, con Anghiari e la collina di Citerna sullo sfondo a occidente.

Perché il progetto ha scelto una travata mista acciaio-calcestruzzo

La seconda modifica al progetto preliminare, di natura più propriamente strutturale, ha proposto un impalcato in sistema misto acciaio–calcestruzzo in luogo dell’impalcato in c.a.p., ritenuto limitante in termini di luce massima a causa dell’impiego di travi prefabbricate e non adeguato al tema e all’importanza del terzo fiume italiano, sebbene ancora giovane a meno di 50 km dalla sorgente del Monte Fumaiolo.

Questa soluzione ha consentito di incrementare le luci e ridurre il numero delle pile, passando a una configurazione di sole tre campate per uno sviluppo complessivo pressoché invariato, pari a 144 m.

L’impalcato presenta una sezione trasversale a cassone di forma trapezia, che degenera in una sezione pressoché triangolare in corrispondenza delle due pile centrali, in fregio al fiume, dove è previsto un singolo appoggio; questa terza modifica, o più propriamente scelta indipendente, ha minimizzato l’interferenza idraulica.

La successione continua di altezze variabili, associata alle anime inclinate, genera un fondo del cassone dalla geometria tridimensionale a fuso, che si sviluppa lungo l’opera seguendone le curvature planimetriche e altimetriche.

L’incremento della luce di scavalco del Tevere da 42 m a 58 m — ossia dal limite inferiore normativo a una dimensione idraulicamente più congrua — ha consentito di allontanare le fondazioni dall’alveo inciso e di dimezzarne il numero, garantendo un franco idraulico più sicuro rispetto alla piena duecentennale.

Contestualmente alla riduzione del numero delle pile in golena, ne è stata ridimensionata anche la sezione, prevedendo snelli fusti circolari di raggio pari a 2,40 m e altezza di 3,00 m, in luogo dei setti larghi 9 m previsti dal progetto preliminare. Il calcestruzzo impiegato è di classe C32/40.

Va osservato come il diametro di 2,40 m risulti particolarmente contenuto, non tanto in relazione alle sollecitazioni quanto per la collocazione degli appoggi e dei martinetti di sollevamento, aspetto che ha imposto specifiche accortezze e complessità in fase di montaggio; montaggio complesso, come si vedrà in seguito, anche per l’assenza di vincolo torsionale sulle pile stesse.

Nella rivisitazione progettuale, l’individuazione di un sistema fondale a minimo impatto geometrico e idraulico ha rappresentato un principio guida fondamentale. Ciò ha condotto alla definizione dei fusti come singole colonne e, conseguentemente, delle fondazioni come semplice allargamento omotetico delle stesse, secondo un’evoluzione del concetto palo–pila che consente di ovviare anche alle eccentricità costruttive possibili del sistema fondale rispetto alle elevazioni.

Le fondazioni sono, così, realizzate mediante un cluster di otto pali secanti, di diametro pari a 1000 mm e lunghezza di 21,5 m.

La riduzione del numero di pali a meno della metà rispetto al progetto posto a base di gara, con una significativa contrazione dei tempi di realizzazione e dei costi, è stata resa possibile sia dallo studio accurato del sistema di vincolamento, di cui si dirà in seguito, sia dal minore peso strutturale conseguente all’impiego dell’acciaio.

Ponte misto acciaio-calcestruzzo sul Tevere: geometria, luci e sezione dell’impalcato

Il complesso delle proposte presentate è risultato vincente e il raggruppamento ha sviluppato, sulla base di esse, la progettazione definitiva ed esecutiva.

Tre campate da 43+58+43 m e pista ciclopedonale protetta

Il nuovo ponte sul fiume Tevere è costituito da tre campate con scansione delle luci pari a 43 m + 58 m + 43 m.

Il capostrada ha larghezza di 9,10 m ed è affiancato da una pista ciclo-pedonale larga 2,50 m, collocata sul lato interno della curva, su sede protetta. La larghezza complessiva dell’impalcato è quindi pari a 13,20 m, con sviluppo planimetrico su una curva di raggio 160 m.

Cassone trapezio in acciaio Corten S355W con anime inclinate

L’impalcato a cassone in struttura mista acciaio–calcestruzzo è realizzato in acciaio autoprotetto tipo Corten S355W, con anime inclinate di 38° rispetto alla verticale e ali asimmetriche, essendo sviluppate maggiormente verso l’interno. Le travi sono trasversalmente collegate mediante diaframmi reticolari disposti con interasse tipico di 5 m; in corrispondenza delle spalle sono invece presenti diaframmi ad anima piena con sezione a doppio T, finalizzati a massimizzare l’interasse degli appoggi al fine di limitare le trazioni indotte dalla curvatura planimetrica e dallo schema statico.

Le anime in acciaio presentano un’altezza variabile da 1,60 m in corrispondenza delle spalle e della mezzeria della campata centrale, fino a 2,80 m in corrispondenza delle pile. Lo sviluppo effettivo delle anime, a causa dell’inclinazione, varia tra 1,95 m e 3,45 m e ha richiesto l’inserimento di alcuni irrigidimenti longitudinali a piatto 260 × 20 mm.

La concentrazione del carico ciclopedonale all’interno curva ha permesso anche di raggiungere un raro sbalzo della soletta di quasi 4 m, bilanciando al contempo la torsione dovuta al peso proprio in ragione ottimale.

Controventi e diaframmi reticolari per il comportamento torsionale del cassone

All’intradosso dei diaframmi è disposta un’orditura reticolare di controventamento in acciaio, a croce di Sant’Andrea, realizzata con profili ad L, variabili lungo lo sviluppo dell’impalcato (da 2L150×10 nelle zone di minore torsione fino a 4L150×18 in prossimità delle spalle).

Tale sistema conferisce alla sezione un comportamento assimilabile alla teoria del cassone equivalente di Bredt, parzialmente chiuso, condizione fondamentale per contrastare l’elevata torsione indotta dalla curvatura planimetrica e dalla scelta di eliminare gli incastri torsionali in pila, nonché utile in presenza di anime fortemente inclinate per assorbire le azioni orizzontali di intradosso perpendicolari allo sviluppo dell’opera per la mera rotazione del momento flettente principale.

Controsoletta in calcestruzzo C32/40 per il fondo compresso del cassone

In corrispondenza delle pile le piattabande inferiori si uniscono a formare un fondo chiuso, sul quale è stata realizzata una controsoletta in calcestruzzo C32/40, con tecnologia SCC e spessore pari a 30 cm, collaborante mediante pioli Nelson. Ciascun tratto ha sviluppo di 15 m ed è disposto simmetricamente rispetto alle pile.

La controsoletta consente di annullare il rischio di instabilità del fondo compresso che, con spessore di soli 30 mm, presenta una snellezza pari a circa 85, evitando l’inserimento di irrigidimenti longitudinali tradizionali. Essa è stata gettata subito dopo il completamento dell’assemblaggio metallico e prima del getto della soletta superiore, consentendo di beneficiare della sua presenza anche come contributo di resistenza a momento negativo già durante il montaggio. A parte questo è in ogni caso evidente come questo sia il momento migliore per effettuare il getto che risulterebbe una operazione complessa dopo aver realizzato la sovrastante soletta carrabile.

Come consuetudine per le strutture che modificano il proprio schema statico durante le fasi costruttive, le verifiche sono state condotte allo SLE per la fase di montaggio della carpenteria in assenza della controsoletta, e allo SLU per le condizioni di esercizio con la struttura completa.

Le aste dei diaframmi variano con continuità lungo le campate sia per l’andamento delle sollecitazioni sia, soprattutto, per la variazione della larghezza del fondo conseguente alla variazione dell’altezza della sezione. L’inclinazione delle diagonali varia, di conseguenza, da un minimo di 32° a un massimo di 61° rispetto alla verticale. Le aste diagonali sono realizzate mediante profilati accoppiati L150×10 secondo uno schema a V rovescio, che consente anche l’appoggio della trave di spina centrale, la quale riduce la luce tra le piattabande superiori a 3,20 m; valore ottimale per il getto della soletta senza richiedere tralicci delle prèdalles impegnativi.

Diaframma di pila e schema strut and tie per il singolo appoggio centrale

Il diaframma di pila, indifferente alla torsione dell’impalcato, presenta un robusto traverso inferiore che ospita l’appoggio in un regime di flessione, pur al di fuori dell’ambito codificato dal De Saint Venant – è più chiaramente uno schema strut and tie; l’esiguità dello spazio sovrastante ha sconsigliato la chiusura dello stesso con diagonali reticolari, peraltro non particolarmente utili vista l’assenza di vincolo torsionale.

I diaframmi di spalla sono invece dimensionati dal massimo momento torcente e rappresentano gli unici elementi deputati a garantire l’equilibrio rotazionale complessivo dell’opera, pur agevolato dalla curvatura planimetrica. Essi sono stati allargati fino al limite della soletta, sfruttando l’intera larghezza delle spalle, al fine di minimizzare le trazioni sugli appoggi, limitandole di fatto alle sole condizioni mobili rare.

Gli appoggi in trazione, notoriamente critici in termini di durabilità e manutenzione, risultano infatti accettabili se interessati esclusivamente da condizioni rare, che hanno importanza prevalentemente numerica e sono ineludibili in sede di progetto ma si manifestano solo durante le prove di collaudo e si può affermare che non accadano praticamente mai in esercizio.

I diaframmi di spalla risultano inoltre inflessi, poiché il cassone appoggia in posizione eccentrica rispetto agli appoggi, disposti con interasse pari a 10 m in spalla A e 12 m in spalla B, secondo un’orditura sghemba rispetto alla sezione trasversale. Tale soluzione, sebbene non frequente, risulta staticamente conveniente in quanto le reazioni verticali sulle spalle sono contenute e il diaframma presenta un’altezza pari a quella dell’impalcato, con luce assai più ridotta.

In asse impalcato è presente una sola guida a scorrimento longitudinale, che completa in modo semplice ed efficace il sistema di vincolamento, senza partecipare alla trasmissione delle azioni verticali.

La soletta è realizzata su prédalle metalliche di spessore pari a 5 mm, con sbalzi fino a 3,80 m. Tale configurazione risulta compatibile con lo spessore della soletta (30 cm) e con la classe del calcestruzzo C32/40, anche considerando che lo sbalzo maggiore sostiene la pista ciclabile, caratterizzata da carichi inferiori rispetto al carico stradale Q1.

Isolatori a pendolo attritivo e appoggi multidirezionali sulle spalle

Il sistema di vincolamento prevede l’impiego di isolatori a pendolo attritivo sulle due pile e di dispositivi di appoggio multidirezionali sulle spalle, disposti in modo asimmetrico e in posizione centrifuga per ridurre le trazioni. Gli appoggi sulle spalle reagiscono anche a carico negativo e sono associati a due guide orientate secondo l’asse delle travi.

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CREDITS
Stazione Appaltante: Comune di Sansepolcro
Responsabile del Procedimento: Ing. Paolo Quieti
Progetto definitivo ed esecutivo del ponte: Eutecne s.r.l. - Matildi+Partners s.r.l.
Direzione Lavori D.L. Ing. Federico Frappi - Eutecne s.r.l.
D.O. Ing. Stefano Isani Matildi+Partners s.r.l.
D.O. Ing. Paolo Barrasso Matildi+Partners s.r.l.
Collaudatore Ing. Giuseppe Chirivì
Imprese esecutrici del ponte: ATI imprese Castaldo s.p.a (Mandataria)
Lucos s.r.l. (Mandante)
Pype Lyne s.p.a (Mandante)

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FAQ Tecniche: Ponte misto acciaio-calcestruzzo sul Tevere a Sansepolcro

Che cos'è un impalcato misto acciaio-calcestruzzo a cassone curvo?

È una travata continua in cui un cassone metallico in acciaio collabora con una soletta in calcestruzzo tramite connessione a taglio. A Sansepolcro il cassone ha sezione trapezia, anime inclinate a 38° rispetto alla verticale e ali asimmetriche, con altezza variabile da 1,60 m (spalle e mezzeria) a 2,80 m (pile). La curvatura planimetrica R=160 m introduce una torsione rilevante, contrastata dal comportamento a cassone parzialmente chiuso secondo la teoria di Bredt.

In quali contesti si adotta questa soluzione rispetto al c.a.p. prefabbricato?

Quando servono luci medio-grandi, riduzione del numero di pile e minimo impatto in alveo, con geometrie stradali curve che le travi prefabbricate rettilinee non assecondano. Nel caso in esame la struttura mista ha consentito di passare da cinque a tre campate e di portare la luce di scavalco da 42 a 58 m, allontanando le fondazioni dall'alveo inciso e migliorando il franco rispetto alla piena duecentennale.

Quale normativa governa la progettazione e il sistema di isolamento?

Il quadro nazionale è il DM 17/01/2018 (NTC2018), che per i ponti stradali fissa fra l'altro la luce minima di scavalco. La progettazione del cassone misto fa riferimento all'Eurocodice 4 parte ponti (UNI EN 1994-2) e, per le parti in acciaio, all'Eurocodice 3 parte ponti (UNI EN 1993-2). Gli isolatori a pendolo attritivo rientrano nella UNI EN 15129 sui dispositivi antisismici, con progetto del sistema d'isolamento secondo EN 1998-2. 

Quali vantaggi prestazionali e operativi offre la configurazione adottata?

Riduzione del numero di pile e di pali (meno della metà rispetto al preliminare), minore peso strutturale grazie all'acciaio, contrazione di tempi e costi e impatto idraulico minimo. L'appoggio singolo in pila - più diffuso nel contesto europeo - elimina i vincoli torsionali e semplifica le sottostrutture; la controsoletta in calcestruzzo C32/40 SCC (spessore 30 cm) sul fondo chiuso annulla il rischio d'instabilità del fondo compresso (snellezza circa 85) senza irrigidimenti longitudinali tradizionali.

Come è stato impostato il montaggio e quali cautele ha richiesto?

L'impalcato è stato suddiviso in conci trasportabili su strada, preassemblati a terra in tre macroconci (56–32–56 m) fuori dall'alveo attivo, con giunzioni saldate e bullonature 10.9 ad attrito per aste di diaframmi e controventature. I macroconci, fino a 172 t, sono stati sollevati da una coppia di autogrù. L'appoggio singolo in pila comporta instabilità temporanea: sono stati installati tiranti provvisori Ø46 mm per controllare le rotazioni, con verifiche allo SLE in fase di montaggio (senza controsoletta) e allo SLU in esercizio.

Quali aspetti di durabilità, manutenzione e controlli sono critici?

L'acciaio autoprotetto Corten S355W riduce la manutenzione delle superfici esposte. Gli appoggi in trazione sulle spalle, notoriamente critici per durabilità e manutenzione, sono stati resi accettabili perché interessati solo da condizioni rare di collaudo e praticamente assenti in esercizio. Il collaudo statico (11 luglio 2023) è stato eseguito con otto bilici da 44 t in configurazioni di flessione e torsione, in condizione SLE rara. I controlli ricorrenti riguardano isolatori a pendolo, appoggi multidirezionali, guida longitudinale e parapetto in Corten (lame 50×4 mm, corrente HEA100).