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L’azione termica trasversale in ponti a cassone in c.a.p.

Si presenta un caso studio inerente alle variazioni di temperatura all’esterno e all’interno di strutture a cassone in calcestruzzo armato precompresso: gli effetti distorsivi potrebbero causare tensioni non previste in fase di progetto

Un ponte a cassone

I ponti, così come le altre strutture, sono sottoposti a continue variazioni di temperatura, sia giornaliere che stagionali. Le distorsioni che l’azione termica causa negli elementi strutturali non possono essere trascurate nella valutazione della sicurezza e delle prestazioni delle opere.

Le deformazioni di origine termica sono il risultato di una componente uniforme di temperatura in direzione longitudinale, che si traduce in una dilatazione o in una contrazione delle fibre, e di una componente variabile di temperatura lungo l’altezza, di tipo lineare o di tipo non lineare, che causa sia una curvatura che uno stato tensionale (in caso di distribuzione non lineare).

L’analisi dell’azione termica in direzione trasversale è di fondamentale importanza, soprattutto nei ponti a cassone dove si ha una forte variazione di temperatura lungo l’altezza della sezione, nel piano della flessione verticale.

In particolare, si ha una funzione che varia con Legge di quinto grado (Figura 1) influenzata dall’esposizione climatica, dal vento, dall’altezza dell’impalcato e dallo spessore della pavimentazione.

Il profilo di temperatura
1. Il profilo di temperatura registrato per un ponte a cassone [2]
Dall’analisi dei dati dei sensori di temperatura di un monitoraggio di un ponte a cassone però, si può notare anche che la temperatura interna ed esterna al cassone hanno una diversa variazione nel tempo.

Al momento le Norme tecniche non contemplano, tra gli effetti dell’azione termica, le distorsioni che potrebbero essere causate dallo sfasamento delle due temperature, sia nel caso di cassoni unicellulari che pluricellulari.

Nel presente articolo verranno analizzate in breve le indicazioni della Normativa per il calcolo dell’azione termica in direzione trasversale, a cui farà seguito la presentazione del caso studio di cui sono stati analizzati i valori di temperatura rilevati dalla sensoristica. Infine, si esporrà la trattazione del fenomeno che avviene in maniera analoga negli edifici.

Le indicazioni dell’Eurocodice per il calcolo dell’azione termica trasversale

A seconda della Normativa a cui si fa riferimento, il gradiente di temperatura lungo l’altezza della sezione può essere di tipo lineare o non lineare.

L’Eurocodice 1 al paragrafo 6.1.4 prevede entrambi gli approcci: considerando una distorsione termica lungo la sezione di tipo variabile, l’andamento dipenderà dalla forma della sezione, dai materiali che la compongono e dalla sua altezza, come si evince dalla Figura 2.

Il calcolo della componente verticale
2. Il calcolo della componente verticale dell’azione termica nei ponti in calcestruzzo secondo l’approccio non lineare dell’Eurocodice 1 [1]
Se invece si adotta un’azione di tipo lineare, la Norma definisce una differenza di temperatura positiva e una negativa tra la superficie superiore e la superficie inferiore dell’impalcato i cui valori, riportati nella Figura 3 sotto, sono legati alla forma della sezione e al materiale.

Nella maggior parte dei casi è sufficiente considerare la componente verticale di variazione di temperatura lungo l’altezza degli elementi strutturali.

Monitoraggio e analisi

Tuttavia, l’Eurocodice delinea due casi in cui è necessario considerarne anche la componente orizzontale:

  • se un lato del ponte è maggiormente esposto alla luce rispetto all’altro si raccomanda di considerare una differenza di temperatura orizzontale di 5 °C;
  • se si ha una sezione a cassone in calcestruzzo molto larga si prescrive l’adozione di una differenza di temperatura tra lo strato interno e lo strato esterno delle pareti e delle solette del ponte di 15 °C. 
L’azione termica trasversale in ponti a cassone in c.a.p.
3. Le variazioni di temperatura lineari per gli impalcati da ponte secondo l’Eurocodice 1 [1]
Il caso studio

Il ponte in esame è costituito da una coppia di cassoni in calcestruzzo armato precompresso a travata continua, la cui lunghezza è di 150 m circa suddivisa in tre campate. Le campate di spalla hanno una luce di 38,6 m, la campata centrale di 78 m. I cassoni sono strutturalmente indipendenti e hanno una larghezza complessiva pari a 22,25 m.

La soletta di base di ogni cassone, larga 5,5 m, ha spessore variabile tra 0,20 m (in mezzeria) e 0,70 m (nella sezione di appoggio).

L’altezza delle pareti verticali varia tra 2,0 m e 3,5 m e il loro spessore tra 0,40 m e 0,60 m. La soletta superiore ha uno spessore di 30 cm che si riduce a 20 cm all’estremità delle ali.

Sull’opera, per la registrazione della risposta strutturale prima e dopo alcuni interventi di ripristino e consolidamento, è stato predisposto un sistema di monitoraggio.

In particolare, per l’identificazione delle caratteristiche chiave della struttura si è proceduto all’installazione di accelerometri, di fessurimetri, di inclinometri e di estensimetri. La presenza degli estensimetri, dotati di sensori di temperatura, ha permesso di registrare le variazioni termiche nel tempo sia all’interno che all’esterno del cassone.

Dal grafico in Figura 5 sotto, ottenuto dall’analisi dei dati, si nota immediatamente che le temperature seguono entrambe un andamento periodico ma differente: i picchi presentano valori diversi e sfasati nel tempo.

  • La sezione trasversale in appoggio
    4A La sezione trasversale in appoggio
    4A. La sezione trasversale in appoggio del caso studio
  • La sezione trasversale in campata
    4B La sezione trasversale in campata
    4B. La sezione trasversale in campata del caso studio

Le procedure di calcolo indicate dalla Normativa non sembrano tener conto di questo fatto: nell’analisi locale delle pareti e delle solette dei ponti a cassone si adotta un andamento trapezoidale della temperatura, ma non se ne considera la variazione del tempo che potrebbe essere la causa di distorsioni.

Infatti, se lo strato esterno della parete tende a contrarsi e dilatarsi in maniera differente da quello interno, potrebbero generarsi delle tensioni all’interno del calcestruzzo non contemplate nel calcolo dell’azione termica.

Le analogie con gli edifici

L’andamento della temperatura interna ed esterna al cassone nel tempo è analogo all’andamento della temperatura interna ed esterna agli edifici.

Durante il giorno, grazie a una temperatura ambientale più elevata e alla radiazione solare, i fabbricati tendono a scaldarsi provocando un aumento della temperatura interna. Le due temperature variano con velocità differente: nella maggior parte dei casi, prima di raggiungere l’equilibrio l’aria esterna inizia a raffreddarsi, motivo per cui non si raggiunge mai una condizione stabile.

L’andamento periodico della temperatura e del flusso di calore mostrato nella Figura 6 sotto è strettamente legato all’inerzia termica degli edifici. L’inerzia termica può essere definita come la capacità di un corpo di raggiungere la temperatura dell’ambiente che lo circonda più o meno lentamente.

I parametri che caratterizzano il fenomeno, che dipende dalla densità del materiale, dal calore specifico, dalla conducibilità termica e dallo spessore dell’elemento, sono lo sfasamento temporale di temperatura e il fattore di attenuazione.

L’azione termica trasversale in ponti a cassone in c.a.p.
Gli eff 5. La variazione della temperatura interna e esterna del cassone analizzato

Lo sfasamento temporale di temperatura si definisce come la differenza di tempo tra i picchi di temperatura della superficie interna ed esterna di una parete. Il fattore di attenuazione, invece, è il rapporto tra il valore dell’ampiezza dell’onda termica interna e dell’ampiezza dell’onda termica esterna.

Gli effetti dell’inerzia termica negli edifici sono stati studiati in un’ottica puramente energetica, accertandone i benefici dal punto di vista del risparmio energetico.

In impalcati a cassone, tuttavia, il mancato raggiungimento di una stabilità potrebbe provocare sollecitazioni a fatica. 

Conclusioni

Le azioni termiche assumono, insieme alle altre azioni definite dalla Normativa, un ruolo fondamentale per la progettazione delle strutture quali ponti e viadotti.

L’Eurocodice individua diverse componenti di temperatura agenti negli elementi strutturali, lineari e non lineari, in direzione longitudinale e in direzione trasversale, in verticale e in orizzontale.

Analizzando i dati rilevati dai sensori di temperatura su un ponte a cassone in calcestruzzo, si può notare come la temperatura esterna e quella interna all’impalcato cambino in maniera differente a seguito delle variazioni termiche giornaliere.

Analogamente a quanto si verifica negli edifici, si ha per entrambi i valori di temperatura un andamento periodico nel tempo. Le due distribuzioni, però, non sono uguali: a causa della diversa velocità di variazione risultano infatti sfasate nel tempo e raggiungono valori di picco differenti.

Lo strato interno e lo strato esterno della parete si contraggono e dilatano, di conseguenza, con tempi ed entità distinte.

L’azione termica trasversale in ponti a cassone in c.a.p.
6. La variazione della temperatura interna e esterna agli edifici [3]
A seguito di queste deformazioni nella sezione, potrebbero manifestarsi delle tensioni che non vengono considerate nella Normativa e che potrebbero essere la causa di fenomeni di sollecitazione non prevista e successivo degrado del calcestruzzo.

Bibliografia

[1]. European Committee for Standardization, N 1991-1-5 Eurocode 1: Actions on structures – part 1-5: General actions, thermal actions, 2004.

[2]. F. Rendace, “Effetti dell’azione termica nei ponti in calcestruzzo con distribuzione lineare e non lineare applicando gli Eurocodici”, Ingenio, 2021, https://www.ingenio-web.it/32539-effetti-dellazione-termica-nei-ponti-in-calcestruzzo-con-distribuzione-lineare-enon-applicando-gli-eurocodici.

[3]. L. Ropelewski, R.D. Neufeld – “Thermal inertia properties of autoclaved aerated concrete”, J. Energy Eng., vol. 125, no. 2, pp. 59-75, Aug. 1999, doi: 10.1061/(ASCE)0733-9402(1999)125:2(59).

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