Peculiarità strutturali di Ponti ad Arco Maillart

L'arco è un elemento strutturale che permette di sfruttare le caratteristiche meccaniche peculiari del calcestruzzo

Lo sviluppo di nuove tecniche costruttive associato all’utilizzo di materiali sempre più performanti ha certamente contribuito, in maniera non marginale, alla diffusione nel tempo di tali strutture.

I ponti ad arco in c.a. possono avere varie forme e, in funzione della posizione del piano stradale rispetto all’arco, possono essere definiti come ponti ad arco a via inferiore, superiore o intermedia. I ponti ad arco a via superiore, generalmente, sono quelli più frequenti e più indicati, anche se la scelta tipologica del tipo di ponte dipende molto dalle caratteristiche morfologiche del territorio.

Soffermando l’attenzione sui ponti ad arco a via superiore, i principali componenti che ne qualificano il comportamento sono: l’impalcato (o anche le travi di impalcato, indicate talvolta come sovrastruttura), l’arco, e le stilate (oppure colonne, che connettono l’arco con la sovrastruttura).

I ponti sorgono per aprire nuove vie di comunicazione. Fra i tanti, i ponti ad arco sono una delle tipologie strutturali più antiche e, ancora oggi, sono ampiamente utilizzati per superare ostacoli naturali come larghi fiumi o gole profonde, soprattutto in zone montane.

In particolare, i ponti ad arco in calcestruzzo armato (c.a.) rappresentato una valida alternativa ai classici ponti a travata, sia da un punto di vista estetico che funzionale. L’arco, infatti, è un elemento strutturale ideale per superare grandi luci in quanto permette di sfruttare in pieno le caratteristiche meccaniche peculiari del calcestruzzo o della muratura (resistenza a compressione), riuscendo a trasferire importanti carichi gravitazionali attraverso un regime di sforzi normali di compressione.

I primi ponti ad arco in c.a. a via superiore possono essere considerati gli eredi diretti dei ponti ad arco in muratura. Infatti il calcestruzzo, in sostituzione della muratura, è particolarmente adatto ad assorbire sollecitazioni di compressione ed ha il vantaggio di poter realizzare l’arco in modo monolitico ottenendo le forme desiderate attraverso il getto di calcestruzzo entro opportuni casseri.

Sebbene la maggior parte dei ponti ad arco a via superiore sia in calcestruzzo armato, esistono anche esempi di questa tipologia strutturale realizzati in acciaio. Poiché la presenza di forti compressioni esige sezioni con grandi inerzie, per luci elevate i ponti ad arco sono in genere realizzati in calcestruzzo armato.

Nella sua configurazione più classica, un ponte ad arco in c.a. a via superiore è caratterizzato da un arco molto rigido rispetto all’impalcato, e questo fa sì che, nel gioco delle distribuzioni delle azioni nella struttura iperstatica, l’elemento più rigido assorba anche maggiori sollecitazioni.

Tipicamente, nei ponti di grande luce non si tiene alcun conto del contributo delle travi di impalcato alla portanza della struttura, ma si suppone che le travi servano solo a sostenere e riportare sull’arco i carichi gravitazionali dell’impalcato ed i carichi accidentali.

Per tale motivo, l’inerzia dell’impalcato, Ii, è in genere molto piccola in confronto all’ inerzia della sezione dell’arco, Ia, e per tale motivo l’arco assorbe quasi interamente le sollecitazioni di momento flettente e taglio. Nei ponti di media luce, invece, il contributo dell’impalcato, sempre che questo sia continuo, è di notevole importanza, e sarebbe antieconomico non tenerne conto.

Il presente lavoro analizza in dettaglio il comportamento delle strutture da ponte “a impalcato collaborante”, conosciute anche come “Ponti a volta sottile e trave irrigidente”, oppure in senso generale come ponti ad arco di tipo “Maillart”, dal nome dell’ingegnere svizzero Robert Maillart che per primo concepì questa tipologia di ponte.

Nei ponti ad arco di tipo Maillart, al posto del classico arco, si osserva, infatti, la presenza di una volta esile e larga, caratterizzata da un basso momento di inerzia e collegata superiormente ad un impalcato molto rigido. Questi due elementi strutturali sono collegati da montanti verticali o subverticali costituiti da setti in c.a. pieni o con finestrature di alleggerimento. Vale la pena ricordare che l’arco, o la volta, venivano progettati in maniera da comportarsi come elementi funicolari per tutti i pesi propri della struttura.

La ‘forma’ dell’arco o della volta veniva realizzata in maniera che tali elementi fossero unicamente compressi sotto i pesi propri, mentre un qualunque altro carico aggiuntivo sulla struttura (come ad esempio i carichi viaggianti relativi al traffico veicolare) induceva sollecitazioni flessionali che deviano il comportamento dell’elemento strutturale curvo dalla sua configurazione funicolare.

Nei ponti ad arco di tipo Maillart, l’inversione del classico rapporto tra la rigidezza dell’arco, Ia, e dell’impalcato, Ii, serviva a sgravare il primo delle sollecitazioni flessionali ed ottenere un arco soggetto prevalentemente a sforzo di compressione anche sotto altre configurazioni di carico, come quelle indotte dal traffico mobile veicolare. In questa ottica, le sollecitazioni di momento flettente e taglio vengono trasferite da elementi strutturali prevalentemente com pressi, l’arco o la volta, all’impalcato che in genere non è compresso.

Tale condizione non è sempre razionale nelle applicazioni che prevedono l’utilizzo del calcestruzzo armato, ma, tuttavia, molteplici erano i vantaggi di assumere uno schema strutturale come quello dei Ponti Maillart. Un esempio fra tanti era la diminuzione del costo delle fondazioni e, in particolar modo, della centina. Infatti, quest’ultima veniva progettata per resistere al solo peso della volta, in quanto, a maturazione avvenuta del calcestruzzo, la volta stessa poteva essere utilizzata come centina per la realizzazione della sovrastruttura (stilate e impalcato).

Nei ponti ad arco di tipo Maillart l’impalcato doveva essere, quindi, sufficientemente rigido flessionalmente rispetto all’arco. Manuali e fonti storiche indicano che il rapporto minimo di rigidezza tra impalcato e arco, affinché la struttura potesse effettivamente funzionare come tale, era di circa 50 [Franciosi V. 1956 e Franciosi V., 1971].

In Figura 1 si riportano due esempi di ponti ad arco tipo “Maillart” costruiti negli anni ’60 del secolo scorso in Provincia di Salerno (Italia), i viadotti “Caiafa” (Fig. 1a) e “Madonna degli Angeli” (Fig. 1b), caratterizzati, rispettivamente, da luce e freccia pari a 120.0 m e 32.5 m e 60.8 m e 18.0 m.

Esempi di Ponti Maillart in Provincia di Salerno (Italia): a) Viadotto Caiafa; b) Viadotto Madonna degli Angeli.

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La presente memoria è tratta da Italian Concrete Days - Aprile 2021

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