N. 10 - 2010 3

I ponti di grande luce hanno un carattere sug-gestivo poiche tendono a dominare ed interagirecon armonia con il paesaggio circostante.

Un ponte progettato senza considerazioni este-tiche assolve il ruolo di collegamento ma spessorappresenta una barriera nel paesaggio con con-notati negativi. L'approccio ingegneristico è spes-so di progettare una struttura indipendente dalcontesto in cui andrà collocata, mentre quello ar-chitettonico tende ad integrarla nel paesaggiocon studi sulla forma, geometria e del territorio.Spetta ai progettisti considerare entrambi gliaspetti di estetica e funzionalità, e strutture re-centi sono state pensate e costruite integrando lediverse discipline progettuali. L’architetto MarioBotta sostiene che il ponte crea il paesaggio erappresenta una sfida inventiva di ingegneri e co-strutturi ad evocare meraviglia e bellezza sull’am-biente. Strutture recenti come il viadotto di Millauin Francia, che con le sue torri alte 343m rappre-senta il ponte piu alto nel mondo costruito contecniche costruttive all’avanguardia, mostranouna unica integrazione con il paesaggio circo-stante, valorizzandolo e attribuendo all’attraver-samento una marcata funzione simbolica (Fig.1).

una lunga durata temporale, e spesso i parametrivariabili come traffico, vento, o sisma sono valu-tati considerando proiezioni della struttura nel fu-turo con simulazioni di incrementi di traffico eeventi eccezionali stimati con tempi di ritorno su-periori a 500 anni. La progettazione dei ponti digrande luce deve tenere in conto i fenomeni ae-rodinamici, infatti l’incremento della lunghezzadella campata produce una dimuinuzione dellefrequenze naturali e del rapporto fra i modi di vi-brare torsionali e verticali. Di consequenza que-ste strutture hanno una elevata suscettibilita alleazioni del vento che spesso domina i criteri pro-gettuali.

TSING MA BRIDGE, HONG KONG

Nell’ultimi quindici anni sono state progettatestrutture significative come il ponte Tsing Ma adHong Kong che è il ponte sospeso piu longo delmondo che porta sia carichi stradali che ferrovia-ri. Ha una campata centrale di 1377m e due late-rali di 360m, con linea ferroviaria al centro dell’im-palcato inserita all’interno nel cassone metallico.

I ponti di grande luce

Tommaso RUSMI

Fig. 1 - Millau in Francia aperto al traffico 2004

I ponti di grande luce hanno un costo elevatoche è giustificato solo in determinate circostanzee progetti ambiziosi possono subire pesanti varia-zioni una volta che l’analisi dei costi-benefici ècompletata. Da un punto di vista economico, l’ot-timizzazione strutturale con analisi non lineari e distabilità e l’attento studio sui metodi costruttivi èfondamentale. Giustificare un investimento sugrande scala implica progettare una strutturache, durante il servizio, non richieda costante ma-nutenzione per una durata dell’opera nel tempo dialmeno 200 anni come nel caso del Ponte sulloStretto di Messina. Questi requisiti necessitanouna costante attenzione ai parametri progettualicon coefficienti di sicurezza adeguati a garantire

Fig. 2 - collegamento fra Hong Kong e l’aeroporto su LantauIsland

Il ponte collega Hong Kong con il nuovo aero-porto sull’isola di Lantau (Lantau fixed Link) ed hauna posizione strategica per le spedizioni merciverso la Cina (Fig.2). È stato progettato per ga-rantire l’esercizio durante qualsiasi condizione at-mosferica, inclusi gli eventi eccezionali quali tifonie bufere con venti sopra 290Km/h. Essendo posi-zionato nel corridoio dell’aeroporto le torri sonostate progettate con altezza limitata e l’impalcatoè posizionato 60m sopra il livello del mare per ga-rantire il passaggio delle navi.

La progettazione ha tenuto in conto variazionitermiche di ± 23 oC, una accelerazione sismica alsuolo di 0.05g, e forze di impatto da navi petrolie-re da 220 000 dwt.

Boll.Ing. n.10 13-12-2010 11:34 Pagina 3

4 N. 10 - 2010

Per considerare il passaggio dei treni all’internodel ponte, la struttura longitudinale che sopportail piano viario stradale e ferroviario è di tipo retico-lare con una carenatura laterale in acciaio inoxper ottimizzare il comportamento della strutturanei confronti dell’azione del vento (Fig.3).

Fig. 3 - Vista assonometrica dell'impalcato

È stato sviluppato un impalcato in acciaio a duelivelli, largo 41m e alto 7.7m, con appendici aerodi-namiche laterali. La parte centrale del ponte fra ledue carreggiate stradali aventi ciascuna 3 corsieper senso di marcia, è aperta su 3.5m per garanti-re la ventilazione del cassone. La linea ferroviariaa due binari è collocata sotto il canale di ventilazio-ne ed ai suoi lati ospita due corsie di emergenzaper senso di marcia atte ad ospitare il traffico in ca-so di chiusura delle carreggiate sovrastanti.

Tale struttura comprende travi irrigidenti longitu-dinali e travi Vierendeel trasversali che collabora-no con la piastre ortotrope dell’impalcato. Sonostate eseguite numerose prove in galleria delvento per confermare l’efficienza della sezionetrasversale in tutte le condizioni atmosferiche.

L’impalcato, composto da 50 000 t di acciaio, èstato fabbricato nel Regno Unito con sezioni lun-ghe 36m, ed è stato assemblato in Cina all’estua-rio del fiume Pearl. I singoli elementi sono stati poitrasportati in cantiere con chiatte e posizionati consollevamenti da 1000 t tramite tecniche innovativedi tesatura (strand jacking techniques, Fig.4).

Fig. 4 - Sollevamento dei conci tramite pendini collegati alla travemobile di sollevamento che scorre sui cavi principali

Fig. 5 - assemblaggio dei cavi portanti

Fig. 6 - Sella per i cavi principali in sommita di ciascuna torre

Ciascun cavo di 1.1m di diametro comprende34 000 fili e porta l’impalcato tramite pendini posi-zionali ad intervallo di 18m. I cavi principali – fra ipiu grandi del mondo – sono stati construiti con latecnica aerial spinning con avanzamento di 1 000t per settimana (Fig. 5).

I cavi sono tenuti in posizione sopra le torri daselle di acciaio di 500t ciascuna (Fig. 6) e sonoancorati in due enormi blocchi di calcestruzzo di-mensione 270 000 m3.

Per velocizzare la costruzione ed ottimizzare icosti, le torri in calcestruzzo di 206m sono statecostruite per conci successivi (slipforming).

Le gambe delle torri sono larghe 6m, varianoda 18m a 9m longitudinamente, e sono collegateda travi precompresse. Durante la costruzionesono state usate travature irrigidenti per stabiliz-zare le torri sotto l’azione del vento.

Boll.Ing. n.10 13-12-2010 11:34 Pagina 4

Per criteri di percorribilità e confort dei passeg-geri è stata progettata una sezione del piano fer-roviario innovativa (trackform) comprendente ungrigliato su appoggi elastici cosi da ottimizzare ilcomportamento dinamico e ridurre il peso dellastruttura e vibrazioni (Fig 7).

N. 10 - 2010 5

STONECUTTERS BRIDGE, HONG KONG

Aperto al traffico nel Dicembre 2009, il ponteattraversa la baia di Hong Kong e rappresental’accesso al porto Kwai Chung (Fig.10).

L’aspetto estetico del ponte ha una estremaimportanza dato che la struttura è visibile damolte parti di Hong Kong e Kowloon.

L’attraversamento è parte della Route 8 Hi-ghway e porta 2 carreggiate con 3 corsie persenso di marcia con corsie di emergenza e ban-chine di sosta.

La linea ferroviaria ha un giunto che permetteespansioni di 1m sullo sviluppo del ponte di 2km.

Particolare attenzione è stata considerata nel-l’aspetto estetico della struttura con l’intento dicombinare funzionalita ed armonia della forma; icarter in acciaio inox dell’impalcato (essenzialeper il comportamento aerodinamico) e le propor-sioni e rivestimenti delle torri sono stati scelti incollaborazione con architetti ed autorità locali peraccetuare l’eleganza strutturale ed attenuare icontrasti con l’ambiente circostante.

Fig. 7 - Assonometria del piano viario ferrioviario

Derailmentcontainmentrails

Steel cross-ties

Rails

Restraintbrackets

Resilient pads

Resilient baseplate

Steel/concreterail bearers

Resilient bearingssupporting rail bearers

TSING MA BRIDGE - RAILWAY TRACKFORM

Fig. 8 - Mott MacDonald team durante la costruzione del ponte

Fig. 9 - Vista notturna del ponte Tsing Ma

Fig. 10 - Ponte Stonecuttes fra Hong Kong e il passante su Tsing YI

L’impalcato, con profilo aerodinamico ottimiz-zato nelle gallerie del vento canadesi (Fig.11) sisepara dalle precedenti filosofie progettuali checonsideravano le campate principali e lateraliequilibrate da una alta travatura reticolare lon-gitudinale.

Infatti dal crollo del Tacoma Narrow Bridge(1940) dovuto alle oscillazioni torsionali indottedal distacco periodico di vortici di von Karman(vortex shedding) che produce il fenomeno diinstabilità aeroelastica detto anche flutter, moltiponti vennero progettati ad impalcato reticolarefino agli anni 70 quando vennero progettati iponti Severn e Humber in Inghilterra con impal-cato chiuso aerodinamico senza travi irrigidentilongitudinali.

Stonecutters Bridge è un ponte strallato con di-stanza fra i piloni di 1018m e due campate latera-li di 289m per uno sviluppo complessivo di1596m.

L’impalcato è costituito da due cassoni ortopro-pi paralleli aventi lunghezza di 18m, uniti da tra-versi lunghi 53m (Fig.11,12).

Fig. 11 - Sezione trasversale dell'impalcato

Boll.Ing. n.10 13-12-2010 11:34 Pagina 5

6 N. 10 - 2010

Sono state condotte numerose analisi struttura-li, incluse fasi di montaggio (Fig. 13), analisi stati-che, dinamiche e analisi stocastiche wind buffe-ting. L’analisi non lineare ha confermato l’impor-tanza di considerare la non linearità dei cavi convariazioni del 20% rispetto alla analisi lineare.

Tutta l’area di Hong Kong è soggetta a tifoni dielevata intensità, e nel 2002 una antenna alta50m è stata eretta in prossimità del cantiere permisurare la velocità, turbolenza e direzione deiventi. La stabilità dell’impalcato durante la costru-zione ha richiesto particolare attenzione durantela progettazione e costruzione. Sono stati esegui-ti numerosi studi aerodinamici in galleria del ven-to fra cui: modelli con sezioni in scala 1:80 perdeterminare la risposta vortex shedding ed i coef-ficienti dinamici della sezione; modelli con sezioniin scala 1:20 per verificare la correttezza dei pa-rametri determinati con il modello 1:80; modelloAeroelastico della torre in scale 1:100 per deter-minare gli effetti del vortex shedding sulla torre evalutare le misure necessarie a ridurre gli effettidei vortici a livelli accettabili di vibrazione; test su-gli stralli per valutare il coefficiente di trascina-mento (drag loading coefficient) e gli effetti di vi-

Fig. 13 - Analisi delle fasi di montaggio

Fig. 14 - Struttura in fase di costruzione (2007)

Fig. 15 - Piolatura all'interno delle torri

Fig. 16 - Geometria delle torri

Una delle caratteristiche innovative della strut-tura è la geometria delle torri che hanno sezioneconica a diametro variabile (Fig 16). La loro altez-za è 295m sopra il livello del mare; la parte infe-riore è costituita da cemento armato, mentre larestante parte di 115m è una sezione compostaacciaio-calcestruzzo dove l’acciaio rappresenta ilguscio esterno e il calcestruzzo costituisce il nu-cleo interno (Fig.15).

Per garantire la durabilità della struttura metallicaè stato scelto un acciaio inox duplex (50% ferrite e50% austenite) con grado 1.4462 e resistenza asnervamento di 460 Mpa come da EN10088.

Fig. 12 - Modello strutturale del ponte Stonecutters (TDV-RM Bridge)

Boll.Ing. n.10 13-12-2010 11:34 Pagina 6

brazione della pioggia sui cavi (rain-wind inducedvibration); modelli completi del ponte per misura-re la risposta wind buffeting e la suscettibilità aifenomeni di instabilità di flutter e galloping (Fig.17,18).

N. 10 - 2010 7

L'impalcato del ponte è sospeso da quattro cavid'acciaio del diametro di 1,24 metri e della lun-ghezza di 5.300 metri.

PONTE DI MESSINA

Il progetto dell’attraversamento dello Stretto diMessina ha sempre attirato un notevole interessee allo stesso tempo numerose critiche da varieparti. Costituisce una delle maggiori sfide proget-tuali mai affrontate in ambito ingegneristico escientifico poiche collega la Calabria con la Siciliacon una struttura sospesa di luce libera fra le torridi 3300m (Fig 19). Rappresenta l’attraversamen-to a campata piu lunga del mondo, superando digran lunga la luce libera di 1991m del ponte Aka-shi kaikyo costruito in Giappone negli anni 90 edaperto al traffico nel 1998.

Il progetto preliminare dell'opera prevede il col-legamento tra Calabria e Sicilia mediante la rea-lizzazione di un ponte sospeso con due corsiestradali più una di emergenza per ogni senso dimarcia e due binari di traffico ferroviario. La lun-ghezza totale dell'impalcato sospeso è pari a3.666 m (Fig. 20). La campata centrale del ponteprevista di 3.300 m e i due piloni alti 382,6 m(s.l.m.) posti sulle sponde superano il recordmondiale attuale di altezza detenuto dal Viadottodi Millau in Francia con 343 metri.

Da un punto di vista strutturale, sono stati svi-luppati modelli analitici non lineari sia bidimensio-nali sia tridimensionali per analizzare gli eventi le-gati a condizioni di servizio frequenti e rare ed èstato eseguito un calcolo indipendente delledeformazioni e delle pendenze longitudinali indot-te dalle condizioni di carico più gravose, utilizzan-do una combinazione dei carichi ferroviari e auto-stradali.

L’impalcato è progettato interamente in acciaiocon tre cassoni longitudinali indipendenti e sorret-ti da travi-cassoni trasversali, è largo 60 m e lun-go 3.666 m, ossia 183 m oltre le torri e fino aigiunti di dilatazione (Fig 22). La sua carpenteria,tutta realizzata – salvo limitate zone speciali – inacciaio Fe 510 D, ha un peso complessivo di66.500 t.

È dotato di schermi frangivento con profili aero-dinamici stabilizzatori che assicurano la stabilitàaeroelastica con velocità del vento fino a 320Km/h e riducono di circa due terzi la spinta delvento sugli automezzi in transito.

Queste prestazioni nei confronti del vento assi-curano la continuità di servizio del ponte anche incaso di avverse condizioni meteorologiche.

Fig. 17 - Analisi dell'impalcato in galleria del vento

Fig. 18 - studio dei fenomeni aerodinamici sulla sezione

Fig. 19 - Planimetria dell'attraversamento

Fig. 20 - Sezione longitudinale del ponte

Fig. 21 - Modello strutturale del ponte

Sono state condotte analisi dinamiche windbuffeting con e senza traffico con coefficienti ae-rodinamici basati sulle prove in galleria del vento,ed analisi sugli smorzatori non lineari per stabiliz-zare gli stralli.

Fig. 22 - Vista assonometrica dell'impalcato e del sistema di so-spensione

Boll.Ing. n.10 13-12-2010 11:34 Pagina 7

8 N. 10 - 2010

La configurazione del ponte è stata sviluppatasulla base di considerazioni strutturali e aerodina-miche. La larghezza della piattaforma di impalca-to ha consentito di sistemare gli impianti fissi stra-dali e ferroviari e di assegnare appropriate desti-nazioni d’uso allo spazio disponibile.

La scelta di un impalcato stradale a tre corsiepiù una corsia di emergenza in ogni direzione,sebbene non sia giustificata dalle previsioni cor-renti del traffico, è ragionevole per assicurare ilpiù alto livello di servizio nella maggior parte dellecircostanze, compresi incidenti che possonobloccare una o più corsie, riparazioni o sostituzio-ne del manto d’usura, applicazione delle striscesulla pavimentazione, ecc.

Questa decisione è ben fondata anche in vistadella lunghissima vita utile prevista per la struttu-ra, della sua eccezionale lunghezza, e dell’impra-ticabilità di allargare gli impalcati qualora, in unfuturo lontano, fosse necessario aumentarne lacapacità a causa di un maggior afflusso di trafficoattraverso lo Stretto.

Le torri sono strutture snelle e flessibili, ottimiz-zate ai fini del comportamento sismico ed aerodi-namico. Ogni torre è formata da due gambe inacciaio con sezione a losanga di 16 x 12 m colle-gate tra loro da quattro traversi, raggiunge un'al-tezza di 382 m sul livello del mare ed è costituitada 56.000 t di acciaio S 420. La massima altezzaraggiunta dalle torri compreso l’ingombro dei cavie dei relativi carter di protezione, è pari a 382,6 msul livello del mare, quota che coincide con l’inter-sezione teorica dei cavi sulla verticale delle torri(Fig. 25).

Il sistema di sospensione è costituito da duecoppie di cavi del diametro di 1,24 m disposte adinterasse di 52 m a formare un grande e slanciatoarco rovescio che scavalca lo Stretto. I cavi han-no uno sviluppo di 5.300 m tra i due ancoraggi edun peso complessivo di 166.600 t. Ognuno di es-si è formato da 44.352 fili paralleli di acciaio ar-monico del diametro di 5,38 mm (Fig. 24).

Ogni 30 m, lungo tutto lo sviluppo dell'impalcatosospeso, i cavi sorreggono le travi trasversali del-l'impalcato attraverso quattro fasci di funi verticali(pendini) agganciati a collari che abbracciano cia-scuna coppia di cavi. La grandissima rigidezzadei cavi (ciascuno ha una massa di 8 t/m ed èsottoposto ad un tiro permanente di circa 64.500t) assicura la stabilità globale del ponte e consen-te di controllare gli stati deformativi.

Per valutare la risposta globale del ponte sulloStretto di Messina alle varie azioni è stato con-dotto uno studio comparativo delle specificheprogettuali ad esso relative, delle specifiche AA-SHTO (American Association of State Highwayand Transportation Officials), delle specifiche bri-tanniche BS 5400 e degli attuali Eurocodici.

Sulla base dei dati meteorologici locali, la strut-tura è stata progettata con venti aventi periodi diritorno di 500 anni. Utilizzando i coefficienti di por-tanza, di resistenza e torsionali determinati dalleprove preliminari in galleria del vento, sono statedeterminate le inflessioni laterali della strutturad’impalcato ed ha calcolato le tensioni massimenelle gambe delle torri e nelle travate longitudina-li. I risultati ottenuti sono congruenti con gli stati li-mite definiti e ricadono entro intervalli normal-mente attesi ed accettati.

Mediante l’utilizzo di un modello analitico indi-pendente del ponte, sono stati individuati i modi divibrare longitudinali, verticali, torsionali e trasver-sali e ne sono state calcolate le relative frequenzeproprie.

Fig. 23 - collegamento fra impalcato e torri

Fig. 24 - Cavi principali

SEZIONE DI UN CAVO FINITODIAMETRO APPROSSIMATO DEL

CAVOCOMPATTATO PRIMA DELLA FINITURA

COMPOSIZIONE DEI CAVI NON COMPATTATINELLA CAMPATA CENTARLE

CAMPATA CENTRALE44.362 FILI COMPATTA-

TI 52,00

1,75 1,75FILO DI AVVOLGIMENTOACCIAIO DOLCE ZINCATODIAMETRO 4 MM

CAMPATA

SICILIA

CENTRALE

CALABRIA

0 (m)

1,249

1,236

1,243

Fig. 25 - Geometria della torre

Boll.Ing. n.10 13-12-2010 11:34 Pagina 8

Le velocità critiche del vento, relative a fenome-ni di instabilità del ponte dovuti a flutter, sono cir-ca tre volte maggiori rispetto ai venti trasversalicon periodo di ritorno di 50 anni che si verificanosul sito. La velocità critica di flutter è simile a quel-le ritenute accettabili per altri ponti sospesi digrande luce, costruiti in località anche più esposteal vento dello Stretto di Messina.

N. 10 - 2010 9

MOTT MACDONALD

È una società di ingegneria internazionale chesi occupa di progettazione, controllo e supervisio-ne di progetti pubblici e privati in tutto il mondo.Con un organico di piu di 15000 persone sparsefra gli uffici di Europa, America, Asia, Africa, Me-dio Oriente, e Australia, è una delle maggiori so-cietà di ingegneria in scala internazionale ed èstata premiata per il terzo anno di fila come Inter-national Consultant of the Year nonché conside-rata nelle prime 5 migliori società con cui lavorarenel census del Sunday Times Best Big Compa-nies 2010.

Le deformazioni di buffeting sono molto piccolegrazie alla ottimizzazione della sezione trasver-sale messa a punto nel progetto di massima. Talivibrazioni non produrranno alcun disagio signifi-cativo per gli utenti del ponte.

Gli studi sulla percorribilità del ponte indicano laprevisione di ben poche limitazioni del traffico permotivi di vento, e tali limitazioni sono meno pesan-ti e meno frequenti di quanto è stato ritenuto ac-cettabile su altri ponti di grande luce esistenti co-me lo Storebaelt e il Humber dell’Europa del nord.

Tommaso RUSMI Laureato in ingegneria nel 1998 all’Uni-versita degli studi di Firenze, ha collaborato con Transfield inAustralia, Italferr a Roma e Milano e dal 2002 lavora con MottMacDonald negli uffici di Londra dove è responsabile dellaprogettazione e direzione lavori per la divisione ponti. Attual-mente è incaricato Team leader e Project manager, fra le ope-re significative su cui ha lavorato si riportano lo Tsing Ma Brid-ge, Stonecutters Bridge ad Hong Kong, Incheon Bridge in Co-rea, Delhi metro in India, Ponte sullo stretto di Messina, Via-dotto Metsovitikos in Grecia, Kuala Lumpur metro in Malesia,Al Raha Beach bridges ad Abu Dhabi.

Fig. 26 - Prove in galleria del vento sull'impalcato

Fig. 27 - Forme modali

Fig. 28 - Foto restituzione della struttura completata

La sollecitazione sismica non è determinanteper il progetto di alcun elemento principale, ec-cetto per porzioni di gambe delle torri.

Inoltre i ponti sospesi, grazie alla loro intrinsecaflessibilità e ai loro lunghi periodi di vibrazione,non sono sensibili ai terremoti, come del resto os-servato nel comportamento del ponte San Franci-sco- Oakland Bay durante l’evento di Loma Prietae in quello del ponte Akashi durante l’evento diKobe.

Il ponte è in grado di resistere senza danni adun sisma corrispondente al grado 7,1 della scalaRichter – più severo del devastante terremotoche colpì Messina nel 1908.

Boll.Ing. n.10 13-12-2010 11:34 Pagina 9