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Il ponte sul fiume Irwell

Il primo ponte network arch del Regno Unito

Foto in primo piano: Il ponte sul fiume Irwell (photo credit: Matthew Nichol)

Il ponte sul fiume Irwell, nella città di Manchester, è stato il primo ponte network arch costruito nel Regno Unito. Esso presenta luce di 89 m, freccia di 14,37 m e larghezza in pianta di 15,4 m, il che rende la struttura particolarmente snella.

I due archi del ponte hanno struttura asimmetrica e sono costituiti da sezioni metalliche fabbricate con sezioni cangianti da Sud a Nord. Per migliorare l’estetica del ponte, gli archi sono inclinati di 6° nel loro piano. Una sezione tipica dell’arco è riportata in Figura 1.

Le travi principali di impalcato sono realizzate per mezzo di elementi fabbricati con anima e piattabanda superiore inclinate, in modo da incontrare i pendini nel loro piano. Una sezione tipica della trave è riportata in Figura 2.

  • fiume Irwell
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    1. La sezione tipica dell’arco del ponte sul fiume Irwell (photo credit: Network Rail)
  • Impalcato
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    2. La sezione tipica della trave d’impalcato (photo credit: Network Rail)

I pendini, in numero totale di 92 e distribuiti equamente tra i due archi, sono costituiti da barre in acciaio di diametri differenti (85, 90 e 100 mm). Essi presentano lunghezze differenti lungo lo sviluppo del ponte e sono disposti su due piani indipendenti posti a 210 mm gli uni dagli altri. Essi vengono tensionati in due fasi successive durante l’erezione del ponte.

L’impalcato è di tipo composito acciaio-calcestruzzo. Le travi trasversali, anch’esse fabbricate, sono a sezione aperta. Solo le travi estremali, ai lati nord e sud del ponte, sono a sezione chiusa scatolare. La soletta, gettata in sito durante le fasi costruttive, è composta da calcestruzzo armato C40/50.

Un altro elemento tipico di questa tipologia costruttiva è l’uso del “knuckle joint”, un giunto costituito da piastre che collegano la piattabanda superiore delle travi longitudinali con la sezione scatolare dell’arco nei nodi di giunzione estremali: tali piastre fungono da irrigidenti localizzati e aiutano il passaggio di sforzi tra gli elementi, distribuendoli su una lunghezza maggiore.

Una vista assonometrica del giunto è riportata nelle Figure 3A e 3B. Il ponte è supportato da appoggi permanenti posizionati alle estremità Nord e Sud e non presenta giunti di espansione in campata.

Per una discussione dettagliata delle caratteristiche tipiche di un ponte network arch si rimanda agli articoli sviluppati dal Prof. Tveit, propositore di questa tipologia strutturale [1, 2 e 3]. Una vista aerea d’insieme del ponte e dell’area circostante è riportata in Figura 4.

  • trave
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    3A. Vista assonometrica dell’irrigidente di giunto arco-trave (knuckle joint) (photo credit: Network Rail)
  • arco
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    3B. Vista assonometrica dell’irrigidente di giunto arco-trave (knuckle joint) (photo credit: Network Rail)
  • Ponte
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    4. Vista aerea del ponte sul fiume Irwell (photo credit: Matthew Nichol)
I controlli nelle fasi esecutive del ponte

La progettazione definitiva ed esecutiva della struttura è stata affidata ad AECOM-Mott MacDonald JV. All’interno della JV, AECOM ha svolto il ruolo di verifica indipendente del progetto e di tutte le fasi costruttive.

La modellazione del ponte è stata sviluppata in MIDAS Civil (https://www.cspfea.net/prodotti/midas-civil/), utilizzando un mix di elementi beam, plate e truss. Il modello comprende un totale di 103 construction stages e simula in dettaglio tutte le fasi costruttive.

Una vista generale del modello è riportata in Figura 5. Per dettagli sulla modellazione utilizzata e le potenzialità di MIDAS Civil per queste strutture, si rimanda a [4].

MIDAS Civil
5. Vista generale del modello 3D in MIDAS Civil

Si riportano qui alcuni grafici di confronto tra la risposta teorica, ottenuta dal modello FE di AECOM, e la risposta reale della struttura, ottenuta tramite i sistemi di monitoraggio in sito.

La sovrastruttura è stata eretta partendo dall’impalcato; quest’ultimo è stato supportato su appoggi temporanei con disposizione asimmetrica in pianta. Durante le fasi costruttive, l’uso di martinetti idraulici ha permesso di monitorare i livelli di carico assorbiti da ciascun supporto. Essi sono stati

confrontati, fase per fase, con i valori teorici calcolati direttamente dal modello in MIDAS Civil, con risultati ampiamente soddisfacenti. Un tipico grafico di decadimento del carico in uno dei supporti temporanei è riportato in Figura 6.

AECOM
6. Il decadimento del carico nel martinetto Nord-Est (photo credit: AECOM)

Un altro controllo eseguito è quello della freccia degli elementi strutturali. Rilievi topografici giornalieri hanno permesso di studiare la deformata reale della struttura e di confrontarla con quella teorica. I risultati di questo confronto sono riportati in Figura 7.

Infine, si riporta il confronto tra le forze previste nei pendini e le forze registrate in sito, sia tramite estensimetri che con un sistema di monitoraggio basato su ultrasuoni.

La curva riportata in Figura 8 mostra l’andamento degli sforzi (ordinate) al progredire delle fasi di tensionamento per il pendio 16 (ascisse). Le curve blu e viola riportano le linee teoriche studiate dal modello FE in fase di progettazione definitiva (linea blu) ed esecutiva (linea viola).

Anche in questo caso, le curve teoriche del modello seguono con ottima approssimazione i dati ottenuti dai sistemi di monitoraggio. Le Figure 7 e 8 sono riportate con il permesso di Robert A. Jackson, che le ha prodotte basandosi sui dati estratti dall’autore dal modello FE.

tensionamento
7. La deformata della trave longitudinale d’impalcato sul lato Est – Fine della fase di primo tensionamento (photo credit: AECOM)

Conclusioni

L’articolo ha fornito una breve introduzione sul nuovo ponte sul fiume Irwell e un confronto tra i risultati ottenuti dal modello FE in MIDAS Civil e le curve ottenute da rilievi in sito.

Le ottime congruenze ottenute tra le curve teoriche (FE) e le curve reali hanno dato conferma della correttezza del progetto e della sicurezza dell’opera. La possibilità di controllare in tempo reale l’andamento della costruzione in sito tramite il modello FE è stata una fonte di addizionale certezza durante le fasi costruttive e ha permesso di mettere in atto procedure di rimedio per garantire che lo stato finale del ponte fosse in linea con gli obiettivi di progetto, sia in termini di livelletta che in termini di corretto stato tensionale di tutti i pendini e degli elementi strutturali

L’Autore vuole ringraziare tutti coloro che hanno partecipato al progetto e alla realizzazione di questo ponte. La struttura è stata premiata con vari riconoscimenti da parte di importanti Istituzioni britanniche, quali il RIBA e l’IStructE, e questo è senza dubbio il miglior riconoscimento dell’ottima collaborazione avvenuta tra le parti e dell’ottimo risultato finale ottenuto.

Pendino
8. L’andamento degli sforzi nel pendino 16 Est (photo credit: AECOM)

Dati tecnici

  • Stazione Appaltante: Network Rail
  • General Contractor ed Esecutori dei lavori: Skanska-BAM JV
  • Progetto preliminare: WSP-Parsons Brinckerhof
  • Progetto definitivo ed esecutivo: AEOM-Mott MacDonald JV
  • Subappaltatori: Sevenfield Plc
  • Data di ultimazione: Dicembre 2017

Bibliografia

[1]. P. Tveit – “Design of Network Arches”, IStructE The Structural Engineer, 44 (Issue 7), London, England, pp. 247-259, 1966.

[2]. P. Tveit – “About the network arch”, IABSE Lecture series.

[3. P. Tveit – “Systematic Thesis on Network Arches”, 2014.

[4]. A. Caristo – “Ponte sul fiume Irwell: aspetti della modellazione globale in MIDAS Civil”, Digital Modeling (online), 2021.

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