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La precompressione esterna di impalcati in c.a.p.

Interventi di precompressione esterna su impalcati in c.a.p. semplicemente appoggiati e relativi sistemi di monitoraggio

Impalcati in c.a.p.

La presente memoria tratta alcuni esempi di interventi di precompressione esterna progettati e realizzati su impalcati in c.a.p. semplicemente appoggiati di due viadotti: uno con campate di luce L = 32,00 m appartenente all’Autostrada A16 (p.k. 52+732) e l’altro con campate di luce L = 45,00 m appartenente all’Autostrada A14 (p.k. 407+203).

Tali interventi sono stati progettati con riferimento alle vigenti NTC 2018, a valle di un’estesa fase della conoscenza che ha consentito di determinare un’insufficienza di resistenza del sistema costruttivo costituito dagli impalcati rispetto alle azioni da traffico convenzionali previste dalle vigenti NTC.

Dopo una breve panoramica sulle caratteristiche costruttive degli impalcati dei viadotti in oggetto e una breve descrizione degli interventi progettati, si procede con la descrizione delle sperimentazioni eseguite al “vero” sulle campate allo scopo di misurare i benefici della precompressione esterna studiata a tavolino.

Il viadotto in A16 con campate semplicemente appoggiate di luce L = 32,00 m

Planimetricamente, il viadotto si presenta lievemente in curva ed è ad impalcato unico per le due carreggiate, costituito da 11 campate a travate semplicemente appoggiate, di luce tra gli appoggi di 32,00 m.

  • La testata di precompressione
    1A La testata di precompressione
    1A. La testata di precompressione (sezioni)
  • Sezioni della testata
    1B Sezioni della testata
    1B. La testata di precompressione (sezioni)

L’impalcato ha una larghezza complessiva di 19,10 m diviso in due carreggiate indipendenti da uno spartitraffico centrale, ed è costituito da sei travi in c.a.p. a cavi post-tesi poste a interasse di 3,48 m, collegate tra loro dalla soletta superiore (spessore 22 cm) e da quattro trasversi di irrigidimento (due di testata e due intermedi).

Le travi in c.a.p. hanno altezza di 185 cm (larghezza anima 28 cm e larghezza bulbo inferiore 63 cm) e l’armatura di precompressione per ciascuna trave è costituita da sei cavi da 32Ø7 ciascuno.

Per il consolidamento degli impalcati è stata realizzata una precompressione esterna vincolata alle travi di bordo in corrispondenza delle testate mediante l’assemblaggio di piastre metalliche saldate (testate di precompressione), grazie allo spazio presente nel retro-trave. Alcuni particolari sono rappresentati nelle Figure 1A e 1B sopra.

  • La deformata
    2 La deformata
    2. La deformata sotto l’azione di tiro della testata di precompressione
  • Le tensioni massime
    3 Le tensioni massime
    3. Le tensioni massime (MPa) sotto l’azione di tiro della testata di precompressione

Il viadotto in A14 con campate semplicemente appoggiate di luce L = 45,00 m

Il viadotto presenta 25 campate semplicemente appoggiate di luce in asse pila pari a 45,00 m, ed è costituito da sei travi in c.a.p. (a trefoli aderenti pretesi oltre ad un cavo post-teso), poste a interasse di 3,40 m circa e collegate dalla soletta superiore dello spessore di 20 cm e da quattro traversi in c.a.p. (due di testata e due intermedi).

L’impalcato ha una larghezza complessiva di 19,10 m diviso in due carreggiate indipendenti da uno spartitraffico centrale, mentre la soletta è costituita da lastre prefabbricate di dimensioni pari a 6,70×2,25 m.

L’intervento effettuato consiste nel ringrossare e rinforzare le travi di bordo, che risultano maggiormente sollecitate, scaricando in tal modo le travi interne che assorbono, per effetto delle rotazioni dell’impalcato dovute alle colonne di carico eccentriche, minori sollecitazioni da carichi accidentali.

  • La testata di precompressione
    4A La testata di precompressione
    4A. La testata di precompressione dei cavi nei deviatori
  • La testata di installazione
    4B La testata di installazione
    4B. La testata di installazione dei cavi nei deviatori
  • Vista laterale del viadotto
    5 Vista laterale del viadotto
    5. Vista laterale del viadotto in A14 con 25 campate in c.a.p. di L = 45,00 m

Per il consolidamento degli impalcati è stata poi realizzata una precompressione esterna, ancorata alle travi di bordo lateralmente alle travi in prossimità degli appoggi mediante delle testate ottenute dall’assemblaggio di piastre metalliche saldate; in tal caso, lo spazio del retrotrave risultava esiguo e si è dovuto trasferire lo sforzo di precompressione alle travi mediante barre filettate di grosso diametro, previo ringrosso delle anime delle travi in prossimità degli appoggi.

Di seguito si riporta la Figura 6 che descrive diversi esempi dell’intervento realizzato. Le testate di precompressione sono costituite da una serie di piatti saldati di spessore variabile da s = 20 mm ad s = 40 mm.

Alcuni particolari sono rappresentati nella Figura 7. Di seguito si riportano alcune immagini del modello di calcolo utilizzato per il progetto delle testate di precompressione. La piastra di testata è collegata alla trave esistente tramite 12 barrotti passanti M33. 

  • Viste longitudinali delle travi
    6 Viste longitudinali delle travi
    6. Viste longitudinali di travi con precompressione esterna: la trave ringrossata con quattro (sopra) e con due cavi (sotto)
  • La testata di precompressione
    7 La testata di precompressione
    7. La testata di precompressione

Le previsioni teoriche e la misura sperimentale della risposta strutturale

Si illustrano sinteticamente degli esempi di previsione della risposta degli impalcati, di caratteristiche pari a quelli precedentemente illustrati, per effetto delle azioni esercitate dal sistema di precompressione esterna, da un lato, e di misura della variazione dello sforzo di precompressione nel sistema post-teso esterno per effetto delle azioni di servizio, dall’altro.

Si riporta infine un esempio di monitoraggio dei cavi esterni post tesi eseguito mediante celle di carico preliminarmente predisposte nelle testate di precompressione prima della tesatura dei cavi.

  • Il modello di calcolo
    8 Il modello di calcolo
    8. Il modello di calcolo (1) della testata di precompressione
  • Le tensioni della testata
    9 Le tensioni della testata
    9. Le tensioni massime (a sinistra) e la deformata sotto l’azione di tiro (a destra) della testata di precompressione
  • Le testate installate
    10 Le testate installate
    10. Le testate di precompressione installate sulle travi previo ringrosso del viadotto in A14, con 25 campate in c.a.p. di L = 45,00 m
  • Il montaggio dei cavi
    11A Il montaggio dei cavi
    11A. Il montaggio dei cavi con trefoli viplati sul viadotto in A14 con 25 campate in c.a.p. di L = 45,00 m
  • Il montaggio della testata
    11B Il montaggio della testata
    11B. Il montaggio della testata di precompressione sul viadotto in A14 con 25 campate in c.a.p. di L = 45,00 m
La previsione della deformata di una campata soggetta a precompressione esterna delle travi di bordo sul viadotto in A14 di luce L = 45,00 m

Per determinare la risposta della campata alla precompressione esterna, si applicano all’impalcato le forze esterne provocate dalla stessa precompressione esterna, in corrispondenza delle testate e dei deviatori delle travi di bordo.

Gli schemi di carico considerati sono (detto “N” lo sforzo esercitato dai cavi): “N solo su trave T6 precompressa con quattro cavi” e “N solo su trave T1 precompressa con due cavi”.

Le sollecitazioni nelle Figure 12A e 12B si riferiscono alle precompressioni in esercizio assumendo un modulo elastico costante per tutto l’impalcato pari a E = 35.000 MPa. Nelle Figure 13A e 13B si riporta la deformata dei due schemi di carico considerati: “N solo su trave T6” e “N su entrambe travi di bordo”.

  • L’applicazione degli sforzi su trave T6
    12A L’applicazione degli sforzi su trave T6
    12A. L’applicazione degli sforzi con N solo su trave T6
  • L’applicazione degli sforzi su trave T1
    12B L’applicazione degli sforzi su trave T1
    12B. L’applicazione degli sforzi con N solo su trave T1
  • La deformata su trave T6
    13A La deformata su trave T6
    13A. La deformata attesa con N solo su trave T6
  • La deformata su entrambe le travi
    13B La deformata su entrambe le travi
    13B. La deformata attesa con N su entrambe le travi di bordo

La deformata della struttura, come atteso, mostra un comportamento dell’impalcato tipico di una piastra (seppure con risposta diversa lungo i due piani verticali longitudinali e trasversali) con un’importante deformata trasversale sotto l’effetto della precompressione solo di una delle due travi di bordo, grazie alla iperstaticità del sistema realizzata per effetto della solidarizzazione della soletta superiore che partecipa alla ridistribuzione delle sollecitazioni lavorando prevalentemente in regime membranale, e quella soprattutto dei traversi di cucitura delle travi.

La tesatura dei cavi è stata eseguita di notte previa interruzione dell’esercizio; durante le misure delle frecce effettuate mediante livellazione topografica di precisione si sono registrati i risultati riportati nelle Figure 14 e 15.

La massima freccia misurata dal lato della maggiore precompressione (trave T6) è risultata pari a 4,94 mm (sollevamento del punto di mezzeria della trave T6) contro i 6,00 mm stimata con il modello FEM in condizioni ideali di vincoli, assenza di elementi secondari, ecc., e assumendo un E = 35.000 MPa.

  • Le frecce misurate
    14 Le frecce misurate
    14. Le frecce misurate durante la tesatura dei cavi
  • L'ubicazione dei capisaldi
    15 L'ubicazione dei capisaldi
    15. L’ubicazione dei capisaldi per la misura degli spostamenti (Ci, con Fi si indicano gli strain gauges installati che per motivi di brevità non vengono illustrati)

Calcolando a ritroso il modulo elastico dell’impalcato si ottiene un valore apparente di circa Ea = 45.000 MPa; si osservi a tal fine che le prove meccaniche dei calcestruzzi delle travi in c.a.p. hanno restituito valori estremamente buoni, con una resistenza caratteristica cilindrica pari a fck = 45,3 MPa.

Nelle figure seguenti si riportano i diagrammi delle tensioni normali dello schema di carico “N solo su trave T6”.

Tali valori sono stati riscontrati durante le sperimentazioni mediante l’acquisizione delle deformazioni delle corrispondenti fibre attraverso degli strain gauges appositamente predisposti anche sulle travi in c.a.p. più interne non oggetto di intervento mediante post-tensione.

  • Le tensioni attese
    16A Le tensioni attese
    16A. Le tensioni attese sulla trave T6 in MPa (N solo su trave T6 - compressioni negative)
  • Le tensioni su trave T6
    16B Le tensioni su trave T6
    16B. Le tensioni attese sulla trave T6 in MPa (N solo su trave T6 - compressioni negative)

Tramite tali misure, è stato possibile osservare che una parte dello sforzo normale applicato esternamente alle travi oggetto di precompressione esterna viene trasferito, come era prevedibile, agli altri elementi dell’impalcato a cui esse sono solidarizzate.

Anche per tali motivi, è consigliabile mantenere basso il tasso di lavori dei cavi per eventuali ritesature che col tempo si dovessero rendere necessarie.

La previsione della variazione dello sforzo nei cavi di precompressione post-tesi sul viadotto in A16 di luce L = 32,00 m

È possibile stimare analiticamente le variazioni degli sforzi presenti nei cavi di precompressione post-tesi per effetto dei carichi variabili (carico da traffico). Si illustra tale effetto mediante un modello ideale e poi si riportano i risultati delle sperimentazioni al vero eseguite durante una specifica prova di carico.

La deformazione dovuta ai carichi previsti per le prove genera, nel caso specifico, un incremento di trazione nei cavi da precompressione e un incremento di sforzo normale nella trave in c.a.p., come illustrato attraverso il modello di calcolo FEM ideale di seguito riportato.

Il modello di calcolo
17A, 17B, 17C e 17D. Lo schema statico in modello di calcolo ideale (17A), la deformata da forze concentrate in modello di calcolo (17B), la trazione in elemento asta in acciaio in modello di calcolo (17C) e la compressione su trave in c.a. in modello di calcolo (17D)

In particolare, si implementa un modello di calcolo in cui è presente una trave in c.a. 40×207 cm caricata da un sistema di forze unitarie di 1 t disposte con passo 0,5 m. A 0,28 m dall’intradosso della trave, viene inserito un elemento asta Ø100_s5 mm in acciaio collegato solo all’estremità della trave.

Per misurare la variazione di sforzo normale nel cavo di precompressione installato, è stata eseguita una previsione analitica mediante un modello FEM, in cui si sono riprodotti gli effetti di una prova di carico programmata su una campata allo scopo di provocare il massimo momento flettente secondo la condizione rara prevista dalle NTC18 in mezzeria della trave di bordo, precedentemente sottoposta ad intervento di precompressione esterna.

A partire dalla rotazione in appoggio e la distanza del baricentro del cavo rispetto all’asse baricentrico della trave si ricava la variazione di lunghezza del cavo e quindi la variazione di sforzo normale in esso presente.

La disposizione dei carichi
18. La disposizione dei carichi per la prova di carico in modello di calcolo

Per effetto del carico disposto nella configurazione prevista, la forza nel cavo della trave maggiormente caricata (T6) si prevede che aumenti di circa 22,7 kN; di seguito si riportano le misure sperimentali effettuate mediante la lettura delle celle di carico.

La previsione teorica restituisce un ΔNt = 22,7 kN ≈ ΔNs = 18,00 kN; la previsione teorica si discosta del solo 25% rispetto al valore letto sperimentalmente e come atteso risulta maggiore atteso il fatto che la struttura nelle condizioni di lavoro reali presenta certamente delle rigidezze maggiori, specie sotto carichi di esercizio come la prova effettuata, per effetto degli elementi secondari (barriere, pavimentazione, giunti, ecc.) e delle reazioni parassite offerte dagli appoggi.

Il monitoraggio dello sforzo di precompressione nei cavi post-tesi sul viadotto in A14 di luce L = 45,00 m

Lo sforzo a cui devono essere tesati i cavi esterni di post-tensione deve essere generalmente maggiore di quello prescritto in esercizio per tenere conto delle cadute di tensione e in generale dei fisiologici assestamenti di tutto il sistema di precompressione esterna. Nel presente progetto si è scelto di pretendere i cavi a uno sforzo iniziale pari a Ntiro=1,1×Neser.

  • La deformata degli elementi frames
    19 La deformata degli elementi frames
    19. La deformata di soli elementi “frames” da modello di calcolo per effetto dei carichi di prova con evidenza di massima rotazione in appoggio (E = 35.000 MPa)
  • Lo stralcio di progetto
    20 Lo stralcio di progetto
    20. Lo stralcio di progetto di precompressione esterna con evidenza di quota cavi rispetto a intradosso trave

Complessivamente sono sei le campate sottoposte a monitoraggio continuo, con misura delle temperature; per ciascuna trave almeno un cavo di precompressione è monitorato in continuo con restituzione dei dati in remoto.

La tesatura dei cavi è stata eseguita per fasi con incrementi di carico alternati tra i cavi disposti ai lati opposti della singola trave e lo sforzo complessivo applicato è stato controllato mediante la lettura delle celle di carico tramite palmare e successivamente collegate ad una centralina per la restituzione dei dati in remoto.

Il monitoraggio dello sforzo di precompressione
21. Il monitoraggio dello sforzo di precompressione dei cavi-post tesi per la campata 20 (Neser.= 600 kN per LC_1Neser.= 750 kN per LC_2)

L’esempio riportato in Figura 21 mostra un andamento dello sforzo medio dei cavi sufficientemente stabile, con fluttuazioni che seguono con buon accordo la variazione delle temperature dall’installazione avvenuta a Gennaio 2020 fino alla lettura dei dati risalente a fine Maggio 2021.

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