LA PRECOMPRESSIONE DELLE STRUTTURE IN ACCIAIO … IN ACCIAIO/03.AP_PARTE... · giunti dei pannelli tra loro, la soletta potrà ritenersi collaborante con la struttura in acciaio realizzando

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LA PRECOMPRESSIONE DELLE STRUTTURE IN ACCIAIO PARTE III

PONTI IN ACCIAIO PRECOMPRESSO

La tecnica dell’acciaio precompresso si è sviluppata soprattutto nella realizzazione di

ponti in acciaio a grandi luci e nella riabilitazione dei ponti esistenti.

Per ponti di luce di 30 m e fino circa 100 m è possibile estendere la convenienza

dell’utilizzo della precompressione dell’acciaio, nelle travate da ponte semplicemente

appoggiate.

Il ponte a campata unica (30≤Luce≤100 m) viene realizzato generalmente con una

sezione d’impalcato composta da travi in acciaio e soletta collaborante, collegata a

queste tramite dei “connettori” (vedi testo dell’Ing. F. De Miranda “Ponti a struttura

d’acciaio” edito Italsider).

Per questo tipo di ponte la soletta collaborante viene realizzata mediante piastre

prefabbricate in cemento armato poggiate sulla struttura in acciaio, o tramite getto di

calcestruzzo. Nel primo caso la soletta viene appoggiata sull’acciaio e resa solidale alla

travata metallica soltanto dopo la presollecitazione, nel secondo caso la presollecitazione

deve avvenire prima del getto del calcestruzzo


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fig. 10

Le piastre prefabbricate della soletta vengono solidarizzate fra loro e rese collaboranti con

la sottostante struttura metallica mediante una serie di getti di sigillatura eseguiti in opera

con malte di cemento espansivo.

Per realizzare il collegamento acciaio-calcestruzzo nei pannelli della soletta sono previsti

dei vani in cui vengono alloggiati i connettori saldati alla travata metallica (fig. 11).

Eseguita la sigillatura con malte espansive dei vani dove sono alloggiati i connettori e dei

giunti dei pannelli tra loro, la soletta potrà ritenersi collaborante con la struttura in acciaio

realizzando il sistema composto acciaio precompresso-calcestruzzo.

fig. 11

La realizzazione della soletta collaborante con pannelli prefabbricati non è strettamente

indispensabile, può essere posta in opera infatti la usuale soletta in c.a. gettata in opera

purché si abbia l’accortezza, come già visto in precedenza, di precomprimere le travate

metalliche prima del getto del calcestruzzo.


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In questo caso si dovrà fare molta attenzione alla stabilità della struttura in acciaio nel

momento in cui è presollecitata e non è ancora caricata dal peso del getto della soletta

perché le zone inferiori delle travate, solitamente soggette a trazione, sono

momentaneamente compresse.

Un buon dimensionamento delle travate metalliche deve essere tale che in nessuna delle

fasi di costruzione del ponte nell’impalcato e nelle travi, le tensioni superino i valori

ammissibili; questi ultimi devono essere raggiunti solo in fase di esercizio del ponte e

quando viene sollecitato dalle condizioni di carico più gravose secondo normativa.

Di seguito si riportano le figure 12, 13, 14 rappresentative delle fasi di costruzione come

descritte nel testo dell’Ing. Miranda.

La prima fase prevede il varo delle travi metalliche semplicemente appoggiate alle pile. In

questo caso le travi sono soggette soltanto al peso proprio.

La seconda fase prevede la messa in opera dei pannelli prefabbricati in c.a. della soletta.

In questa fase le travi sono soggette al peso proprio e al peso della soletta.

fig. 12

La terza fase prevede la messa in tensione dei cavi applicati alle travature metalliche.

Nella quarta fase viene effettuata la sigillatura dei pannelli prefabbricati, sia alle travi

metalliche per mezzo dei connettori che tra di loro.


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fig. 13

Nella quinta fase vengono realizzate le opere di completamento e di corredo della

piattaforma stradale.

La sesta fase prevede l’apertura al traffico del ponte per cui l’impalcato reagisce ai carichi

mobili di servizio.

fig. 14


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Il comportamento statico della struttura viene rappresentata nel testo con il grafico di fig.

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fig. 15

Lo stato tensionale della sezione composta acciaio-calcestruzzo del ponte si evolve man

mano che vengono eseguite le diverse fasi di montaggio.

Inoltre dal testo si riporta quanto segue: (vedi testo Ing. Miranda)

“Dal punto di vista costruttivo, il sistema consente la prefabbricazione integrale di tutti gli

elementi strutturali, sia metallici che in cemento armato, ed una notevole semplicità delle

operazioni di montaggio, riducibili sinteticamente alle seguenti:

� Montaggio degli elementi prefabbricati in acciaio;

� Montaggio dei pannelli in cemento armato prefabbricati formanti la soletta;

� Tesatura dei cavi da precompressione in acciaio armonico;

� Sigillatura dei giunti fra le piastre in cemento armato.

Sul piano economico, infine, non vanno taciuti i sensibili riflessi dovuti all’eliminazione di

qualsiasi tipo di ponteggio o armature provvisionali.

Dal punto di vista statico si riducono considerevolmente gli effetti indotti dal ritiro e dalla

viscosità del calcestruzzo della soletta rispetto ad altre soluzioni in sistema composto

acciaio-cemento armato.

La sezione chiusa, infine, conferisce alle travate una notevole rigidezza torsionale,

indispensabile per assorbire le forti azioni torcenti provocate da eventuali sensibili

eccentricità dei carichi mobili, realizzando, nel contempo, la massima economia dei

materiali. La sezione, infatti, reagisce a torsione quasi esclusivamente in regime di Bredt,

con valori delle tensioni tangenziali modesti rispetto a quelli indotti da sforzi taglianti, e con

effetti di torsione non uniforme poco importanti.


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Per quanto riguarda le deformazioni, le strutture così progettate risultano notevolmente

flessorigide e torsiorigide. La sensibile flessorigidezza delle travate consente di limitare le

deformazioni flessionali prodotte dai carichi mobili a valori modesti, mediamente variabili

tra 1/70 e 1/1000 della luce; l’adozione di sezione chiuse, invece, fa sì che le deformazioni

torsionali, di grande importanza nel caso di ponti in curva, siano anch’esse molto limitate.

I rapporti ottimali di sottigliezza (altezza-luce) delle travate, realizzate con il sistema in

esame, oscillano tra 1/15 e 1/25.

In conclusione, l’introduzione della presollecitazione del tipo illustrato, nonché la

prefabbricazione integrale degli elementi strutturali e la particolarità delle modalità

esecutive consentono di estendere il campo di impiego delle travate composte

semplicemente appoggiate oltre i limiti di convenienza realizzabili con i sistemi costruttivi

tradizionali.

Esempi di realizzazioni di ponti in acciaio precompresso

Si riportano di seguito alcune realizzazioni di ponti e viadotti con sezione composta

acciaio-calcestruzzo precompressa e una breve descrizione di essi.

- Ponte Bonners Ferry

Il concetto di acciaio precompresso è stato dapprima applicato negli U.S.A nel nord

Idaho in occasione della realizzazione del ponte Bonners Ferry sul fiume Kootenay.

fig. 16

Fu aperto al traffico nel 1984 e fu il primo più grande esempio di ponte precompresso a

trave continua su più appoggi negli U.S.A. Il ponte è lungo 420 m e largo 22 m. La soletta

è stata realizzata in calcestruzzo collaborante ed è stata appoggiata su quattro travi in


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acciaio. Le campate sono di circa 47,24 m ciascuna con l’unica campata finale di 30,48

m.

Le quattro travi sono state precompresse nella zona di momento negativo in due fasi.

Nella prima fase, le travi in acciaio sono state forzate longitudinalmente, prima del getto

del calcestruzzo, per sopportare lo stato tensionale dovuto al peso proprio del

calcestruzzo. In questa fase sono stati utilizzati fili da precompressione da 0,5” che

formavano trecce in seguito alloggiate in tubi di polietilene e applicate alla flangia

superiore delle travi.

Gli ancoraggi sono stati realizzati con elementi cilindrici saldati a dei piatti che

successivamente vennero imbullonati alle travi con bulloni ad alta resistenza (fig. 17). Gli

ancoraggi e i tubi di plastica contenenti i cavi sono stati ricoperti dal calcestruzzo

dell’impalcato. Nella seconda fase la precompressione ha interessato il calcestruzzo della

zona di momento negativo

fig. 17

Per la precompressione dell’impalcato si utilizzarono fili da 0.5 pollici alloggiati in tubi di

polietilene posti a metà della profondità dell’impalcato.

Nella zona di momento positivo le travi non sono state precompresse, ma progettate per

funzionare in collaborazione con l’impalcato.

In questo modo si ottenne una struttura capace di offrire prestazioni strutturali più alte,

facile da varare, e quindi più economica: l’offerta fatta in sede di gara d’appalto, sulla

base di un progetto in acciaio precompresso, risultò di gran lunga più bassa rispetto a

quella che prevedeva un progetto dello stesso ponte in calcestruzzo precompresso.


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- Ischl Bridge, Austria

Il primo ponte costruito in Austria in acciaio precompresso con soletta collaborante, è

quello che si trova ad Ischl. Questo ponte ha una sola campata di lunghezza pari a 47 m

e una larghezza di 5,20 m. Le travi in acciaio come mostra la figura 18 sono poste a un

interasse pari a m 3.

I cavi da precompressione sono quattro e sono stati ancorati a delle pesanti travi

trasversali posizionate all’estremità del ponte stesso.

fig. 18

- Bois de Rosset Viaduct

Il Bois de Rosset Viaduct, ponte situato vicino Faoug (Svizzera), è stato costruito nel

periodo che va dal 1988-1990 per conto del Dèpartement des Travaux Publics du Canton

De Vaud dallo studio di ingegneria CEPT Ingènieurs-Conseils e da DIC Ingènieur-Conseil

e consiste di due impalcati in calcestruzzo sorretti da travi in acciaio precompresso.

Ciascun impalcato si sviluppa su 15 campate che si estendono per una lunghezza

complessiva di 617,25 metri e una larghezza di 13,00 metri. Le prime due campate di ogni

impalcato hanno una lunghezza rispettivamente di 23,00 e 34,20 metri, altre 11 campate

hanno una lunghezza pari a 42,75 metri, e le ultime due hanno una lunghezza pari a

51,30 e 38,50 metri. Inoltre il ponte attraversa una linea ferroviaria ad un’altezza dal piano

ferrato di 10 metri.

La sezione in acciaio è di tipo scatolare e viene precompressa su ogni lato da 4 cavi di

tipo VSL ciascuno dei quali è costituita da 12 fili come si vede in figura.


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fig. 19

Questo progetto è il primo in Svizzera che fa uso di cavi esterni di tipo menzionato, ragion

per cui il ponte viene monitorato attraverso un programma di osservazione a lunga

scadenza; tale programma si appoggia sulle registrazioni effettuate dalle celle di lettura di

carico permanente che sono state installate in alcuni cavi del ponte.

Tutti i fili, inoltre, sono riparabili o sostituibili.

Prima della messa in opera di tale struttura sono state fatte diverse prove di laboratorio

per studiare il comportamento dei materiali, le procedure di montaggio, i sistemi di

ancoraggio e per quantificare le perdite di carico nei cavi di precompressione.

- Lauffen Bridge, Germania

Questo ponte situato sopra il Neckar Canal ha una luce di 34 m ed è stato costruito nel

1955.

Il ponte è composto da due travi a sezione piena collegate ad un impalcato in c.a.

Ciascuna trave in acciaio è stata precompressa con quattro cavi rettilinei, ciascun cavo è

formato da 52 fili di diametro di 5,3 mm (vedi fig. 20).

Dopo la costruzione dei controventi trasversali, le travi sono state precompresse con

martinetti idraulici e successivamente è stato gettato l’impalcato.

La precompressione ha ridotto la tensione nel lembo superiore del 28% e nel lembo

inferiore del 61%.


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fig. 20

- North Bridge Approaches at Dusseldorf, Germania

Per le 6 campate da 72 m ciascuna a travata continua del ponte sopra il River Rein a

Dusseldorf i cavi hanno una configurazione di tipo poligonale e sono portati da

irrigidimenti trasversali progettati per resistere ai momenti torcenti dovuti all’attrito durante

il tensionamento dei cavi (fig. 21).

fig. 21

Ciascuna trave principale è precompressa con 4 cavi, che hanno una lunghezza totale di

470,18 m e diametro ciascuno di 7,18 cm. I cavi sono ancorati alla trave in acciaio ed

inducono compressione nella trave stessa, in maniera simile ad un ponte strallato. Alcuni

dettagli del ponte sono riportati nelle figure 22 e 23.


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fig. 22

fig. 23

- Viadotto Chatelet a Charleroi Belgio

Questo progetto innovativo nasce dall’esigenza di minimizzare al massimo il peso

dell’impalcato, date le difficili condizioni del terreno.

In questa ottica si è pensato di realizzare una sovrastruttura composta da una travatura

d’acciaio di altezza pari a 3 m, portante una piastra leggera in calcestruzzo di 16 m di

larghezza (vedi fig. 24). Molte delle 25 campate di lunghezza variabile tra 34 e 58 metri,

eccetto quella principale di 68 m, sono semplicemente appoggiate. Le travature d’acciaio

sono precompresse con cavi esterni; alla base di ciascuna travatura sono installati 6 cavi.

Questi ultimi passano all’interno di tubi in polietilene, iniettati dopo la tesatura. Per stimare

il comportamento a fatica dei cavi e degli ancoraggi sono stati eseguiti dei test a

grandezza reale. Un altro dettaglio verificato è stato la solidità del sistema dei cavi in ogni

punto, in particolare in corrispondenza degli ancoraggi e dei deviatori.


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fig. 24

Il tracciato dei cavi è praticamente rettilineo; dei deviatori sono stati previsti infatti, solo

vicino agli ancoraggi per ovvi motivi di spazio.

- Viadotto n° 10 Italia:

(Estratto dal testo “strutture in acciaio precompresso” dell’ing. Nunziata edito Flaccovio)

In Italia è stato realizzato un ponte con struttura in acciaio precompresso denominato

viadotto n0 10 lungo la strada a scorrimento veloce tra la stazione di Vallo della Lucania e

Policastro Bussentino, progettato dall’ingegnere Luigi Musumeci e costruito nell’anno

1992. Tale viadotto si sviluppa per una lunghezza di 220 m e poggia su una pila centrale

posta a 110 m (fig. 25).

fig. 25

Le due campate adottano uno schema isostatico per garantire una maggiore sicurezza

nel caso in cui si dovessero verificare spostamenti del terreno di fondazione.

Una struttura analoga in c.a.p. isostatica, su luci dell’ordine citato, avrebbe comportato

sia costi elevati che perplessità sulla costruzione della stessa.


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Pertanto è stato previsto l’impiego di strutture miste acciaio-calcestruzzo, ricorrendo alla

precompressione al lembo inferiore delle travate, per ridurre l’altezza delle stesse e

contenere il costo relativo.

Una struttura come quella proposta oltre a comportare pesi totali minori può consentire

spostamenti di ripresa sia verticali che orizzontali, in maniera tale da ripristinare gli

allineamenti originari con costi e tempi di intervento modesti.

Il viadotto della larghezza di 14,25 m è composta da due luci di 100 m con sbalzi di

estremità da 5,00 m (fig. 26)

fig. 26

Il sistema proposto consiste in una trave a cassone a sezione chiusa su luce di m 100,

presollecitata con cavi rettilinei in acciaio armonico. La soletta di impalcato, che completa

la sezione, non è precompressa ed è realizzata mediante lastre prefabbricate in c.a.

posizionate sulla struttura metallica.

La precompressione, limitata alle strutture in ferro ed eseguita in opera, è stata effettuata

mediante cavi di acciaio armonico a tracciato rettilineo. Tali cavi, di lunghezza variabile,

sono stati disposti come richiesto dal comportamento statico della struttura, come

riportato nella fig. 27

fig. 27


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Per i cavi è stata prescelta la soluzione di cavi esterni, soluzione che consente di

sostituire i cavi stessi in caso di necessità.

I cavi in numero di 12, composti ognuno da 12 trefoli da 0,6’’ sono contenuti in tubi di

poliestere rigido da 96/ 90 mm.

Particolari dispositivi di ancoraggio sono stati ricavati nella parte inferiore del cassone, in

corrispondenza dei traversi di irrigidimento.

È da notare che il sistema di precompressione risulta molto semplice dal punto di vista

esecutivo e che gli sforzi di precompressione, sono quasi totalmente sfruttati perché le

perdite, si limitano sostanzialmente a quelle indotte dal rilassamento dell’acciaio.

L’esecuzione della soletta di impalcato è stata prevista con lastre da ml. 5,25x6,46 per la

zona centrale e di ml. 3,06x6,46 per gli sbalzi.

Una volta eseguita la sigillatura dei giunti di soletta, con malta antiritiro, la soletta può

ritenersi collaborante con la struttura in acciaio (fig. 28).

fig. 28

La sequenza delle fasi costruttive, e di montaggio è avvenuta come di seguito descritto:

(fig. 29)


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1. In questa fase le travate metalliche sono state appoggiate sulle sottostrutture in

posizione definitiva.

2. In questa nuova fase si è proceduto alla posa delle solette prefabbricate

3. Nella III fase si è effettuata la presollecitazione della travatura

4. In questa fase si è proceduto alla sigillatura delle lastre di soletta.

5. Nella quinta fase l’impalcato venne completato con la posa dei cigli, dei guardavia

e della pavimentazione.

6. Nell’ultima fase il ponte fu aperto al traffico.

fig. 29

Il comportamento statico della struttura è quindi estremamente chiaro: gli stati tensionali

prodotti dai carichi nelle fasi 1-2-3-4 sono sopportati dalla struttura metallica mentre, nella

fasi successive 5 e 6, reagisce il sistema composto acciaio calcestruzzo.

Si riportano di seguito alcune immagini del viadotto, (da fig. 29 a fig. 37) riprese durante

la costruzione ed a opera ultimata.


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fig. 29 e 30 - Varo trave a cassone e posa soletta in c.a..

fig. 31 - Fori passaggio cavi

fig. 32 - Particolare ancoraggi


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fig. 33 e 34 - Ancoraggi cavi iniettati

fig. 35 e 36 - Variazione numero di cavi lungo la trave

fig. 37 - Viadotto ultimato


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Il progetto del ponte sul mar Piccolo a Taranto

E’ di notevole interesse riportare la descrizione della realizzazione di questo ponte

estratto dal libro dell’ing. De Miranda edito Italsider per le problematiche che si sono

dovute affrontare nelle fasi di costruzione.

fig. 38

La particolare posizione geografica in cui questo ponte doveva sorgere, ha posto tutta

una serie di vincoli che hanno notevolmente ristretto il campo in cui operare le necessarie

scelte progettuali.

L’opera infatti è stata realizzata in una zona di mare soggetta a navigazione, in prossimità

del porto, per cui è stato necessario garantire un “franco in altezza” per la navigazione

stessa (fig. 38). Il ponte doveva inoltre portare tutta una serie di servizi (acquedotti,

gasdotti, cavi elettrici e telefonici) per l’urbanizzazione della zona.

Per rispettare tutti questi vincoli si è giunti ad un progetto con le seguenti caratteristiche:

1. travi a cassone chiuso semplicemente appoggiate su sette campate di 96,50m di

luce ciascuna, composta da tre facce di lamiera, irrigidita superiormente da

controventi.

2. un sistema di travi trasversali in acciaio posti ad interasse di 7,30 m per il sostegno

della sovrastruttura dell’impalcato;

3. impalcato costituito da pannelli prefabbricati in c.a. solidarizzati tra loro tramite

getto di conglomerato espansivo;


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4. un sistema di mensole aggettanti dai longheroni e solidarizzati successivamente

da apposite armature di acciaio,

5. un sistema di elementi prefabbricati in c.a. (cordoli, cordonali e lastre) per la

formazione del marciapiedi e dello spartitraffico.

6. apparecchi d’appoggio.

Di seguito vengono riportate le fasi di costruzione e montaggio dell’opera:

I Fase

Durante questa prima fase sono state realizzate le palificazioni e le fondazioni,

successivamente, sono state gettate le pile in c.a. Nel frattempo in officina venivano

eseguite le strutture prefabbricate in acciaio e in un cantiere predisposto, si

prefabbricavano i pannelli in calcestruzzo armato della soletta d’impalcato.

II Fase

In questa fase è stato effettuato lo stoccaggio e l’assemblaggio delle travate metalliche e

la predisposizione dei cavi di precompressione, su appositi piazzali adiacenti le banchine

di attracco.

III Fase

Tramite un ponte galleggiante della portata di 800 tonnellate con applicata una gru a

sbraccio, le singole travate sono state trasportate e sollevate sulle pile. Durante questa

fase le travature venivano sollecitate dal solo peso proprio.

IV Fase

Durante questa fase sono state messe in opera i pannelli prefabbricati costituenti il

solettone d’impalcato.

V Fase

In questa fase è stata effettuata la presollecitazione delle travate metalliche, mediante

pretensionamento graduale dei cavi.

VI Fase

Durante questa fase è stata effettuata la sigillatura delle lastre in c.a. alle strutture

metalliche rendendo così solidali la struttura metallica ed il solettone in c.a.


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VII Fase

Sono stati collocati durante questa fase tutti gli elementi accessori e di corredo stradale e

successivamente il ponte fu aperto al traffico.

Ponti ad arco

I ponti in acciaio ad arco costituiscono un’altra tipologia strutturale che può beneficiare

della tecnologia della precompressione dell’acciaio. Un esempio di applicazione della

precompressione dell’acciaio si è avuto dalla realizzazione del ponte Smith Street in San

Paul, nel Minnesota, meglio conosciuto come High Bridge (ponte alto) fig. 39. Questo

ponte fu costruito per la prima volta nel tardo diciannovesimo secolo utilizzando il ferro

battuto e fu concepito per collegare le due rive del fiume Missisipi.

fig. 39

Negli anni ottanta il ponte divenne funzionalmente obsoleto e necessitava di essere

sostituito.

Un comitato di cittadini del luogo, per garantire un buon livello estetico del ponte a costi

non elevati, scelse un progetto che prevedeva un ponte ad arco a tre campate identico a

quello da sostituire.

La campata principale del ponte doveva essere lunga 165 m, mentre le altre due laterali

73 e 79 m.

Il nuovo progetto suscitava però forti perplessità in quanto, in quel periodo, altri ponti ad

arco avevano subito delle rotture fragili.


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I punti deboli del ponte erano i puntoni di acciaio saldati all’arco che non garantivano un

adeguato livello di elasticità.

Per sopperire a tale mancanza il progetto originario fu adeguato con l’inserimento di cavi

di precompressione all’interno dell’arco.

I cavi avrebbero avuto lo scopo di sostenere l’arco nel caso in cui questo avrebbe subito

delle rotture fragili.

Le trecce, inserite all’interno di tubi di acciaio saldati all’arco, erano formate da sette fili di

diametro di 0,5”.

Questi cavi costituirono dei percorsi alternativi per le tensioni e ridussero la forza di

trazione sull’arco a valori molto bassi.

Tale riduzione della forza di trazione ebbe come scopo di diminuire la probabilità di

rottura fragile nei puntoni.

Il ponte fu varato utilizzando gli stessi sistemi richiesti per il varo di un ponte in acciaio

convenzionale.

Sfruttando così la tecnica della precompressione dell’acciaio, si raggiunse lo scopo di

costruire una struttura snella ed economica.

Un altro esempio di ponti con strutture ad arco che sfruttano la tecnologia della

precompressione dell’acciaio sono i ponti a singola campata Chung Shan e Mac Arthur

che attraversano il fiume Keelung in Tapei Taiwan (fig. 40).

fig. 40

I due ponti Chung Shan furono costruiti nel 1992 e si sviluppano per una lunghezza di

92,5 metri, attraverso una piattaforma di calcestruzzo larga 17 metri.

Le tecniche e i principi utilizzati per la precompressione dell’acciaio sono le stesse viste

per il ponte High Bridge.

Un altro esempio di struttura simile a quella vista prima è il ponte in acciaio precompresso

che attraversa il fiume Yangtze a Chongquing in Cina, aperto nel 2005 (fig. 41).


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fig. 41

Casteldaccia (PA), lì 03.01.2014

Ing. Francesco Solazzo

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