Ponti in acciaio - sistemi ed elementi strutturali

Importante nota professionale e di sicurezza: Questa è una revisione d’archivio di esperti, non un progetto, un calcolo statico, una valutazione di un ponte esistente o istruzioni per la costruzione, l’ispezione o la riabilitazione. Le divisioni, le campate, i rapporti, le tensioni, i materiali, i dettagli dei giunti e le soluzioni strutturali originali sono stati trasferiti senza verifica professionale e non devono essere utilizzati come specifiche moderne. La progettazione e i lavori sui ponti richiedono progettisti e appaltatori autorizzati, normative e standard vigenti, dati geotecnici e idrologici, calcolo degli effetti permanenti e variabili, fatica, vento, temperatura, sismicità, stabilità, fondazioni, condizioni di assemblaggio e robustezza, nonché prove su materiali, corrosione, giunti e condizioni effettive della struttura. L’accesso alla struttura, i lavori in quota, il traffico, il sollevamento, la saldatura, il taglio e il montaggio comportano rischi mortali e richiedono un apposito piano di protezione.

La progettazione, la costruzione e la riabilitazione dei ponti in acciaio non fanno parte della nuova offerta pubblica di Savo Kusić. Il focus attuale è finestre in legno, finestre in legno-alluminio, finestre personalizzate e porte. Per un progetto di finestre o porte, puoi inviare richiesta di preventivo.

Ponti ad arco

Esistono veri e propri ponti ad arco con archi rigidi, che possono ricevere tutti i tipi di urti, e ponti ad arco composti da aste, dove un sistema rigido è ottenuto dall’esistenza di una trave di irrigidimento. Un arco irrigidito (trave Langer) viene calcolato presupponendo collegamenti incernierati, quindi l’arco è caricato solo con forze normali. I momenti flettenti vengono rilevati dalla trave di irrigidimento, che svolge anche il ruolo di tensione se l’arco si trova sopra la trave.

Gli archi e le travi Langer sono più economici dei ponti a travi per campate più grandi, perché il pieno carico equamente distribuito viene ricevuto solo dalla linea portante dell’arco. Ad eccezione delle forze supplementari, i momenti sono causati solo da carichi parziali e sono significativamente più piccoli negli archi che nelle travi.

Fig. 1 — Porte di rete

Fig. 2 — Porte in stagno

a) Costruzioni ad arco. I porti bloccati vengono raramente costruiti a causa delle difficoltà nel bloccaggio del supporto. Le più comuni sono le porte su due giunti. Le porte con tre cerniere hanno il vantaggio che il movimento dei supporti e il cambiamento di temperatura non provocano forze al loro interno. Sono particolarmente applicabili per rapporti bassi f/l e per il caso di terreni inaffidabili. Le porte rigide sono realizzate come griglie (fig. 1) o come staffe metalliche (fig. 2). La struttura ad arco è posizionata sopra e sotto la carreggiata, si evita l’affossamento della carreggiata per ragioni estetiche. I porti sopra la carreggiata ricevono rinforzi per ricevere la spinta del porto. Se l’arco è rigidamente collegato alle travi delle aperture adiacenti (fig. 1 c ed e), le dimensioni statiche possono essere influenzate entro ampi limiti.

b) Le travi Langer hanno archi relativamente robusti, poiché la lunghezza di piegatura è uguale alla distanza tra i nodi della connessione superiore. Nei ponti vengono raramente utilizzate soluzioni con arco sottopavimento (fig. 3d). La trave per gli irrigidimenti può essere in lamiera o traliccio. Con entrambe le soluzioni, quel raggio può essere continuato in modo continuo nei campi vicini, in modo da creare sistemi continui o Gerber (fig. 3b). Nella fig. 4 mostra una sezione trasversale di un ponte con una trave centrale. La struttura portante è costituita da un arco a tondino, pendini rigidi e una scatola cava chiusa come trave di irrigidimento che riceve momenti torsionali e flettenti.

Fig. 3 — Travi Langer

Fig. 4 — Sezione trasversale del ponte con una trave principale intermedia

c) Ponti a telaio. Quando è necessario garantire l’altezza libera del profilo su tutta la larghezza dell’apertura, i telai vengono applicati su due o tre giunti con un’altezza di appoggio inferiore rispetto alle travi semplici a causa dell’azione del telaio (fig. 5).

e) Calcolo. Gli archi vengono solitamente calcolati partendo dal presupposto che il loro asse non si deformi. Tuttavia le deformazioni elastiche possono essere considerevoli. Nelle soluzioni con tensione sospesa i valori statici non cambiano molto a causa della deformazione, mentre la deformazione degli archi rettilinei e delle travi di Langer può avere un effetto significativo sui valori statici.

Fig. 5 — Ponti con telaio

Ponti sospesi

I ponti sospesi a reticolo, di per sé rigidi, venivano costruiti molto raramente. I moderni ponti sospesi hanno una trave di irrigidimento, che limita ed equalizza la flessione dovuta a forze concentrate. I ponti sospesi con grandi campate sono il Golden Gate Bridge vicino a San Francisco (Fig. 6a) campata 1280m e il Washington Bridge vicino a New York (Fig. 6b) campata 1067m.

Le travi di irrigidimento sono in lamiera o traliccio, di altezza costante o con un piccolo aumento di altezza sopra gli appoggi centrali. Il rapporto braccio-campata viene scelto principalmente nel rapporto da 1/9 a 1/11. Vari incidenti hanno dimostrato che a basse altezze la rigidità può essere troppo bassa, soprattutto con un peso proprio basso e una larghezza ridotta del ponte.

Fig. 6 — Ponti sospesi americani: a) Golden Gate Bridge a San Francisco (1937), b) Washington Bridge a New York (1931), c) Florianopolis Bridge a Brasilia (1926)

Pignone

a) Le catene articolate di maglie con estremità espanse, che giacciono liberamente parallele tra loro e si fronteggiano nei giunti con maglie sovrapposte provenienti da campi adiacenti, sono realizzate in due modi: con rinforzi inchiodati da lamelle alle estremità o con estremità espanse ottenute mediante forgiatura (fig. 7). La catena del ponte sul Reno è stata costruita in acciaio al nichel con una resistenza alla trazione da 5,5 a 6,5 t/cm2. Nei ponti sospesi americani più piccoli la catena è realizzata in normale acciaio fuso, in alcuni casi anche in acciaio legato o temprato.

Fig. 7 — Catena del ponte di Florianopolis

b) Cavi a fune spiroidale. Le corde chiuse sono realizzate in filo lucido. Gli strati interni del filo sono protetti con un rivestimento di piombo e minio, mentre le superfici esterne dei singoli fili sono rivestite con uno strato protettivo.

Le funi metalliche tonde a spirale nei ponti americani sono costituite principalmente da fili zincati a caldo e parzialmente avvolti in modo simile.

I fili da ponte trafilati a freddo hanno un carico di rottura da 12 a 20 t/cm2. La resistenza alla fatica può essere significativamente ridotta se la superficie esterna dei fili trafilati a freddo è in cattive condizioni.

L’allungamento della fune a spirale dipende dal materiale dei fili e dal metodo di realizzazione della fune. L’espansione elastica nell’area delle normali tensioni ammissibili ammonta a 0,003 fino a 0,004. Poiché al primo caricamento le corde vengono allungate plasticamente in modo permanente di 0,001, a volte prima dell’uso le corde vengono precaricate con la massima forza e quindi allungate. Il vantaggio di questo tratto è limitato, poiché una parte significativa del “tratto permanente” viene persa dopo aver allentato la corda durante l’ulteriore installazione.

Le unità storiche, i nomi degli acciai, i rivestimenti protettivi, i punti di forza, le espansioni e i metodi di realizzazione o colata delle teste dei cavi non sono specifiche moderne. Lo stato delle catene, funi, ancoraggi, teste dei cavi e rivestimenti protettivi esistenti è determinato mediante documentazione, ispezione e test; non può essere dedotto da questo testo generale.

Ancoraggio

Le catene delle caviglie vengono ancorate utilizzando tasselli nei supporti cementati nelle fondamenta per l’ancoraggio.

Le funi a spirale hanno teste corrispondenti alle estremità (fig. 8). in cui i fili vengono districati a forma di scopa e dopo la pulizia vengono riempiti di metallo bianco. Le teste fuse professionalmente hanno la stessa resistenza della corda.

Fig. 8 — Teste dei cavi: a) testa semplice, b) testa americana, c) testa del ponte sul Reno

Sospensioni e fascette per cavi

I pendini sono realizzati in acciaio tondo, in particolare da tubi o funi metalliche (fig. 9 e 11). In caso di funi chiuse, le funi sono coperte con fascette (fig. 10). In caso di fasci di cavi separati, le sospensioni sono progettate in modo tale che, se necessario, le singole funi possano essere sostituite con nuove. I pendini della fune sono legati con capicorda, mentre piccole differenze di lunghezza vengono compensate con spessori.

Fig. 9 — Sospensione, vecchio ponte sul Reno

Fig. 10 — Fascette per cavi del ponte sul Reno: a) ponte nuovo, b) ponte vecchio

Fig. 11 — Fascette per cavi e funi pendenti

Torri (piloni)

Le torri dei ponti sospesi sono incernierate nella parte inferiore oppure possono essere fissate, come avviene soprattutto in America. La catena è saldamente attaccata alle torri. Il supporto mobile è necessario solo quando non è possibile affidare alle torri forze orizzontali, cosa che accadrebbe con supporti immobili.

Per i ponti sospesi di grandi dimensioni, sono preferibili torri a cuneo inferiori. In tal caso si possono montare prima le torri, poi le corone e i pendini e infine le travi di irrigidimento. Nei ponti sospesi autoancorati è necessaria un’ampia impalcatura poiché il sistema statico inizia ad agire solo quando la trave di irrigidimento è chiusa.

Supporti stradali e tavole stradali

In considerazione del traffico e della manutenzione, dovremmo cercare di garantire che la pavimentazione del ponte non differisca, se possibile, dalla pavimentazione delle parti di collegamento della strada o della ferrovia. Poiché la pavimentazione stessa non ha una rigidità propria sufficiente, deve fare affidamento su un sistema di superficie in direzione verticale, nonché su un sistema che le fornisca un supporto laterale orizzontale. Il cosiddetto track board poggia su supporti del binario, che consistono principalmente in supporti longitudinali e trasversali.

Supporti trasversali

Le travi trasversali trasferiscono i carichi in movimento alle travi principali. Sono anche una parte importante degli accoppiamenti. Le travi trasversali poggiano direttamente sulle travi principali e in caso di ponti inclinati, quindi la loro luce è uguale all’interasse delle travi principali. I supporti trasversali sono generalmente in lamiera, per brevi lunghezze e normali supporti laminati. È utile che la loro altezza sia compresa nell’intervallo da 1/6 a 1/8, anche se nel caso di ponti grandi e la piccola distanza tra i supporti trasversali (specialmente nel caso delle assi della pavimentazione), questa altezza può essere anche nell’intervallo 1/20.

Di norma, le travi trasversali sono considerate come semplici travi, che sono rigidamente collegate alle travi principali, in modo che nella sezione trasversale del ponte si creino telai aperti o chiusi. Per questo motivo si verificano momenti di pizzicamento, di cui è necessario tenere conto soprattutto durante le connessioni.

Fig. 12 — Collegamento traversa

Nel caso in cui la pavimentazione sia sottostante, il collegamento viene effettuato con semplici angolari di collegamento, oppure. piastre stradali, che vengono inserite nella traversa (fig. 12), o nelle verticali della sezione ad I, e al posto delle loro nervature (fig. 13). La soluzione in fig. 14 è particolarmente rigido, poiché lì la lamiera a sbalzo è annegata sia nel supporto trasversale che in quello verticale, in modo che il momento all’angolo venga ricevuto dai bulloni di tranciamento. Con altre soluzioni non si può evitare che le viti si strappino parzialmente e che gli angolari di collegamento si pieghino. Collegamenti secondo la fig. 12 e 13 sono significativamente più deformati sotto l’influenza del momento rispetto a quelli secondo la fig. 14. Soluzioni simili si presentano per altre posizioni della pavimentazione. La posa dei supporti trasversali sui supporti principali è possibile solo con un’altezza strutturale sufficiente. Quindi i principali supporti in lamiera dovrebbero essere irrigiditi nei punti in cui agisce il carico.

Fig. 13 e 14 — Varianti del collegamento della traversa

Supporti longitudinali

I supporti longitudinali possono trovarsi sotto la carreggiata e sotto i passaggi pedonali. La trave esterna, che spesso è collegata alla ringhiera del ponte, è chiamata trave longitudinale marginale. I supporti longitudinali sono realizzati con supporti laminati e in lamiera. La loro portata arriva fino a 12 m. Poiché le travi longitudinali sono esposte più direttamente al carico in movimento, la loro resistenza alla flessione è particolarmente importante. Per i ponti ferroviari, si mira a un’altezza della trave compresa tra 1/8 e 1/10 campata. I supporti longitudinali in acciaio di alta qualità sono generalmente inadatti a causa dell’elevata flessione. In molti vecchi ponti il ​​collegamento delle travi longitudinali veniva effettuato secondo la fig. 15. Un angolo di collegamento si trova tra le gambe del supporto arrotolato, mentre l’altro poggia sull’intera altezza del supporto trasversale. Con questi tipi di connessioni si verificano notevoli sollecitazioni secondarie e in molti casi si sono verificate rotture per fatica, nonché crepe nel punto in cui la gamba viene tagliata. Per questo motivo tali collegamenti non sono consentiti sui ponti ferroviari. Se non è possibile evitare il taglio delle gambe, questi tagli dovranno essere eseguiti con un ampio arrotondamento, per evitare il rischio di crepe.

Fig. 15 — Connessione di supporto longitudinale

Drenaggio

Bisogna prestare molta attenzione al drenaggio dei ponti. Il drenaggio rapido e completo dell’acqua è il prerequisito più importante per la lunga durata del manto stradale, così come del ponte stesso. Oltre alla maggiore ruggine e ai maggiori costi di manutenzione, le aree di ritenzione idrica sono anche pericolose a causa dei danni dovuti al gelo. Se il livello del ponte lo consente, i ponti stradali dovrebbero avere un certo dislivello longitudinale (non inferiore a 1%), che garantirebbe il deflusso dell’acqua verso lo scarico. L’acqua contaminata da olio e polvere viene drenata attraverso le grondaie. Queste grondaie devono avere una caduta longitudinale sufficiente e devono essere accessibili, per poter essere pulite regolarmente.

Fig. 16 — Strati drenanti e protettivi del manto stradale

Le pavimentazioni in asfalto non sono assolutamente impermeabili. Si può fare a meno di un isolamento speciale sotto l’asfalto se l’asfalto giace su una soletta di cemento vibrata e questa soletta stessa è in gran parte impermeabile. Se la pavimentazione non è sufficientemente impermeabile, tanto da consentire il passaggio di una parte dell’acqua piovana, è necessario prevedere un isolamento. Per i ponti in acciaio si considerano rivestimenti di bitume d’asfalto o terra ecc., strati isolanti di masse isolanti bituminose con inserti massicci di carta con feltro di lana o intreccio di iuta, nonché strati isolanti di lamine metalliche di rame o alluminio. Gli strati isolanti devono essere protetti da danni meccanici con strati protettivi.

Storiche sono le descrizioni di cadute, canaletti, asfalti, solette in cemento, masse bituminose, feltro, juta e lamine metalliche. Drenaggio moderno, impermeabilizzazione, protezione in acciaio, dettagli di penetrazione e manutenzione sono progettati come un sistema armonizzato secondo le normative vigenti, le condizioni climatiche, il traffico e la costruzione reale.

Fig. 17 — Particolare del drenaggio lungo il bordo del ponte

Giunti

I supporti in stagno hanno poca rigidezza nella direzione perpendicolare al piano del supporto, le griglie con presunte giunture nei nodi sono anche multiple mobili in direzione trasversale. Pertanto, per creare prima strutture spazialmente stabili sono necessari controventi e telai trasversali. Inoltre, dovrebbero ricevere carichi che agiscano trasversalmente al piano dei supporti principali, e infine garantire la costruzione contro cedimenti e ribaltamenti.

Giunti antivento

Questi giunti sono dimensionati per ricevere le forze del vento e di altri carichi orizzontali. Sono costituiti da griglie o supporti a telaio, diritti o curvi a seconda dei nastri. Le cinghie di accoppiamento contro il vento sono per lo più anche cinghie dei supporti principali. Spesso i supporti trasversali sono anche le verticali dell’accoppiamento contro il vento.

Per un ponte carico, viene preso meno carico del vento rispetto a un ponte scarico. Se la sezione trasversale lo consente, i ponti reticolari hanno preferibilmente due controventi tra le travi delle travi principali. Vedere gli schizzi del sistema in fig. 18 in cui sono contrassegnati con linee tratteggiate gli attacchi antivento e gli attacchi trasversali.

Il numero e la tipologia degli accoppiamenti trasversali devono essere sufficienti a realizzare un sistema spazialmente rigido. È normale che le griglie garantiscano stabilità anche nel caso di giunti sferici. Le porte e le travi Gerber, ad eccezione dei ponticelli, sono irrigidite con appositi giunti contro il vento e contro lo svergolamento. In corrispondenza dei giunti dei supporti principali gli accoppiamenti devono essere realizzati in modo tale da non influenzare l’azione dei giunti, fig. 18e.

Fig. 18 — Disposizione dei giunti contro il vento

I listelli larghi in lamiera o cemento armato sono molto rigidi sui loro piani. Se le campate non sono troppo grandi si possono omettere appositi giunti antivento, poiché il ruolo opportuno può essere assunto dal listello della pavimentazione. È necessario adottare misure per ricevere le forze trasversali solo durante il montaggio.

Quando si sceglie il riempimento, è necessario tenere presente che generalmente le forze sulle aste sono piccole e le lunghezze di piegatura delle aste sono grandi. Pertanto sono preferiti reticoli con aste di lunghezza ridotta (ad esempio sistema K o sistema rombico). Talvolta il giunto antivento viene appeso ai supporti stradali per ridurre la lunghezza di piegatura. Per gli accoppiamenti sopra pavimentazione viene spesso utilizzato il sistema rombico senza verticali.

La posizione in altezza del giunto contro il vento è determinata principalmente dalle condizioni strutturali (fig. 19). Se possibile, anche in questo caso si evita un collegamento eccentrico. soprattutto con forze elevate, e l’accoppiamento contro il vento è impostato in modo tale che gli alberi delle aste si intersechino nei piani dei supporti principali (fig. 20).

Fig. 19 — Posizione in altitudine del giunto antivento

Fig. 20 — Nodo di accoppiamento antivento

Cornici incrociate

I ponti con carreggiata sovrastante possono essere irrigiditi con telai a traliccio leggeri secondo la fig. 22. Agli irrigidimenti principali delle travi in ​​lamiera possono essere collegati giunti trasversali a forma di telaio. Nella fig. 21 molti cavi sono posizionati sopra il telaio tenditore su due giunti, cioè sopra la griglia sotto la traversa, in modo che siano accessibili dalla pista di ispezione centrale.

Fig. 21 — Telaio trasversale e guida all’installazione

Fig. 22 — Telaio a croce reticolare

Per i ponti con carreggiata sottostante, la forma dei telai trasversali è determinata dal profilo libero per il passaggio dei veicoli. I ponti con telai trasversali a traliccio sono mostrati in fig. 23d. Per le griglie sono necessari telai trasversali che distribuiscono il carico (fig. 24) in modo da impegnare la cooperazione di tutti i principali supporti anche per un carico parziale. Se si tratta di un ponte ferroviario con binario curvo o se le travi principali sono in curva, è necessario tenerne conto durante il calcolo statico dei giunti.

Fig. 23 — Esempi di giunti trasversali e supporti principali

Fig. 24 — Sezione e traversa per la distribuzione del carico sul ponte sul fiume Ruhr vicino a Herdecke

Accoppiamento contro gli impatti laterali

Tra i supporti longitudinali dei ponti ferroviari (fig. 23c) è necessario prevedere un attacco speciale per la ricezione degli urti laterali dei veicoli. Le travi a I longitudinali sono proporzionalmente molto poco rigide nella direzione trasversale, quindi è auspicabile che l’accoppiamento contro gli impatti laterali aumenti la loro sicurezza contro l’instabilità laterale (Fig. 25).

Fig. 25 — Accoppiamento contro gli impatti laterali

Frizione antifrenata

Le travi trasversali non sono in grado di ricevere le forze che agiscono nella direzione longitudinale del ponte e si verificano quando si frena o si inizia a guidare il veicolo, e devono essere alleviate installando giunti antifrenata. Sono supporti piani a traliccio (fig. 26) che collegano i supporti longitudinali con un aggancio contro il vento (fig. 27). Spesso c’è una differenza di altezza tra il trasportatore e l’accoppiamento. E nei casi in cui la lunghezza dei supporti può essere direttamente collegata al giunto antivento, è necessario uno speciale giunto antifrenata, poiché le aste che riempiono il giunto antivento non sono in grado di ricevere un carico di flessione significativo. In alcuni casi può essere combinato in un unico giunto stradale antivento, giunto antiurto laterale e giunto antifrenata.

Fig. 26 — Sistema frizione antifrenata

Fig. 27 — Frizione antifrenata