Travi da Ponte Sotto Stress: Ho Messo alla Prova la Resistenza del Calcestruzzo Precompresso!

Ciao a tutti! Oggi voglio raccontarvi di un’avventura affascinante nel mondo dell’ingegneria civile, un campo che non smette mai di stupirmi. Avete presente quei lunghi ponti che attraversiamo quasi ogni giorno? Molti di essi sono costruiti con travi prefabbricate in calcestruzzo precompresso, una tecnologia pazzesca che permette di realizzare strutture resistenti e durature. Ma cosa succede quando queste travi vengono spinte al limite? E se ci fossero delle piccole imperfezioni, come dei trefoli (i cavi d’acciaio interni) leggermente danneggiati? È proprio quello che ho avuto modo di studiare da vicino.

Nel campo dell’ingegneria dei ponti, le travi in calcestruzzo prefabbricate e precompresse sono la norma. Il motivo è semplice: questa tecnica aiuta a prevenire danni comuni come la perdita di precompressione (una sorta di “tensione interna” che rende il calcestruzzo più forte) e la corrosione dei trefoli d’acciaio. Tuttavia, nonostante siano così diffuse, c’erano ancora delle lacune nella comprensione completa del loro comportamento meccanico e di come potrebbero cedere sotto sforzo. E quando si parla di ponti, la sicurezza è tutto!

L’Esperimento: Una Trave Gigante Sotto Esame

Per capirci di più, abbiamo deciso di fare le cose in grande. Abbiamo preso una trave a I in calcestruzzo ad alta resistenza, prefabbricata e precompressa, lunga ben 35 metri – una bestia, ve lo assicuro! La particolarità? Aveva dei trefoli “doppi spezzati” precompressi, simulando una condizione non ideale che potrebbe verificarsi nella realtà. L’obiettivo era studiarne il comportamento a flessione, osservare come e dove si formano le crepe e capire come avviene il collasso.

Abbiamo allestito un vero e proprio test di laboratorio su scala reale. Immaginate questa enorme trave appoggiata alle estremità e caricata al centro, proprio come un ponte sotto il peso del traffico, ma spingendola ben oltre i limiti di esercizio, fino alla rottura. Durante tutto il processo, abbiamo monitorato ogni minimo dettaglio:

• Lo spostamento verticale (la “freccia” o abbassamento della trave)
• Le deformazioni del calcestruzzo
• Le deformazioni delle barre d’acciaio interne (l’armatura tradizionale)
• La tensione nei trefoli di precompressione
• La nascita e la propagazione delle crepe

I Risultati: Resiste Meglio del Previsto!

E qui viene il bello. I risultati sono stati davvero incoraggianti! Prima di tutto, lo spostamento verticale massimo della trave composita (trave più soletta in calcestruzzo gettata sopra) è risultato molto inferiore al valore limite richiesto dalle normative (nello specifico, la normativa cinese JTG 3362–2018, spesso usata come riferimento in questi studi). Questo significa che la trave è bella rigida e non si “inflette” troppo sotto carico.

Abbiamo calcolato due fattori importanti: il fattore di fessurazione (che indica quanto carico serve per far apparire la prima crepa rispetto al carico di esercizio) e il fattore di capacità portante (che indica quanto carico massimo può sopportare rispetto al carico di progetto). I valori ottenuti sono stati rispettivamente 1.31 e 1.54. Tradotto: la trave inizia a creparsi con un buon margine di sicurezza rispetto ai carichi normali e può sopportare un carico ultimo significativamente maggiore di quello per cui è stata progettata. Ottime notizie!

Certo, spingendola al limite, la rigidezza a flessione della trave è diminuita parecchio, circa del 70% verso la fine del test. Si sono formate numerose crepe nel calcestruzzo, come previsto, e questo ha causato un aumento dello stress nelle barre d’acciaio e nei trefoli. Ma – e questo è fondamentale – l’ampiezza delle crepe durante il carico è rimasta molto più piccola di quella calcolata teoricamente secondo le normative. Questo suggerisce che la trave ha un’ottima resistenza alla fessurazione.

Il Collasso: Duttile è Meglio!

Un altro aspetto cruciale è stato il modo in cui la trave è arrivata al collasso. Non è stato un cedimento improvviso e fragile. Al contrario, ha mostrato un comportamento duttile. Cosa significa? Significa che prima di rompersi del tutto, la trave ha subito grandi deformazioni, dando ampi segnali del suo stato critico. Nel nostro caso, la soletta superiore in calcestruzzo (di resistenza C50, inferiore a quella della trave C70) ha ceduto per prima, collassando, e le barre d’acciaio interne hanno iniziato a snervarsi (cioè a deformarsi permanentemente). Questo tipo di collasso è preferibile perché non è catastrofico e dà tempo per eventuali interventi. Il coefficiente di duttilità calcolato è stato di 15.0, un valore decisamente buono.

Durante il test, abbiamo osservato come le crepe si formassero prima verticalmente nella zona centrale (massima flessione) e poi, aumentando il carico, si inclinassero verso gli appoggi, tipico delle sollecitazioni combinate di flessione e taglio. Anche con carichi elevati (fino a 1350 kN, quasi il 70% del carico di rottura), la larghezza massima delle crepe più significative era di 0.38 mm, ancora inferiore ai limiti normativi per condizioni estreme.

Cosa Abbiamo Imparato (e Perché è Importante)

Questo studio, che ha analizzato nel dettaglio il comportamento meccanico e il meccanismo di rottura di una trave reale spinta fino al collasso, ci ha dato conferme importanti. Queste travi prefabbricate precompresse, anche con potenziali difetti come i trefoli doppi spezzati, mostrano:

• Ottima rigidezza a flessione in condizioni di esercizio.
• Sufficiente resistenza alla fessurazione, con crepe più piccole del previsto.
• Adeguata capacità portante ultima, con un buon margine di sicurezza.
• Comportamento a rottura duttile, fondamentale per la sicurezza.

Abbiamo anche visto come le barre d’acciaio e i trefoli contribuiscano significativamente alla duttilità, ritardando il collasso finale. Inoltre, abbiamo monitorato ponti reali costruiti con queste travi, confermando che il carico si distribuisce uniformemente tra le varie travi parallele e che le deformazioni rimangono entro limiti sicuri in condizioni operative normali.

Un’ultima curiosità emersa riguarda l’ambiente: l’umidità gioca un ruolo! Una bassa umidità accelera la perdita d’acqua nel calcestruzzo, aumentandone il “creep” (deformazione viscosa nel tempo) e portando a maggiori deformazioni verticali (in questo caso, una controfreccia maggiore, cioè un sollevamento verso l’alto) nel lungo periodo.

Conclusioni: Ponti Più Sicuri per il Futuro

Insomma, è stato un lavoro intenso ma estremamente gratificante. Aver “torturato” questa gigantesca trave ci ha permesso di capire meglio i suoi punti di forza e il suo comportamento al limite. I risultati sono rassicuranti e forniscono dati preziosi per ottimizzare la progettazione, la costruzione, la manutenzione e la valutazione della sicurezza di questo tipo di ponti. Sapere che queste strutture sono così performanti, anche in condizioni non perfette, e che cedono in modo duttile, mi fa attraversare i ponti con un po’ più di tranquillità. E spero anche a voi! L’ingegneria continua a lavorare per rendere le nostre infrastrutture sempre più sicure e affidabili.

Fonte: Springer