Ponte in curva sorretto da un guscio in cemento armato di superficie minima

Sin dai ponti in curva realizzati da Maillart, il perfezionarsi della tecnica delle costruzioni in cemento armato e di quelle in acciaio ha consentito ai progettisti di misurarsi con differenti tipologie di ponti in curva. In particolare, negli anni a cavallo del 2000, Jörg Schlaich ha dato un contributo fondamentale allo studio e alla realizzazione di ponti in curva sviluppando in particolare, mediante l’uso della precompressione, diverse tipologie di ponti in curva in cemento armato e in acciaio strallati e sospesi. Un altro contributo fondamentale all’innovazione nel progetto dei ponti è venuto sin dagli anni ’50 e ’60 da Sergio Musmeci, che ha studiato diversi ponti a guscio di superficie minima, realizzando infine il suo capolavoro, il ponte sul Basento a Potenza. Tenendo conto del lavoro di Musmeci sui ponti a guscio in cemento armato e degli studi di Schlaich sui ponti in curva, in questo articolo viene studiato come realizzare un ponte pedonale in curva sorretto da un guscio in cemento armato con superficie minima. L’influenza delle condizioni al contorno sulla forma del ponte, i vantaggi di incernierare un solo lato dell’impalcato curvo al guscio e dell’uso della precompressione sulla trave ad anello che sorregge l’impalcato a sbalzo, vengono di seguito illustrati.

Nella storia dei ponti in curva, ben noto è come Maillart sviluppò il tema nei primi decenni del ‘900. Estendendo ai ponti in curva la sua tipologia di ponti in cemento armato, realizzò nel 1933 uno dei suoi ponti più conosciuti, lo Schwandbach Brücke, con impalcato che ricalca in pianta un arco di ellisse [1].
Il più importante contributo allo sviluppo dei ponti in curva lo ha dato in tempi recenti Jörg Schlaich con i suoi ponti strallati e ponti sospesi in curva [2]. Utilizzando lo sviluppo ad anello dell’impalcato e l’inclinazione degli stralli e dei pendini, ha equilibrato i carichi esterni dell’impalcato, costruito a sbalzo su una trave curva, tramite una coppia originata dal fatto che le compressioni e le trazioni longitudinali (queste ultime talvolta indotte dalla pretensione di un anello di cavi) danno origine, nella trave con curvatura 1/R sul piano orizzontale, a forze trasversali di compressione e di trazione [3].

Lo sviluppo di ponti con impalcato sorretto da una struttura a guscio è invece dovuto a Musmeci, che studiò diversi ponti a guscio di superficie minima, realizzando infine il suo capolavoro col ponte sul fiume Basento a Potenza [4-5] (Fig.1).. Il vantaggio del ponte a guscio con superficie di area minima è che si può ottenere un ponte in cui, come in un ponte Maillart, l’impalcato trasmette in alcune sezioni i suoi carichi alla sottostante struttura che lo sostiene, ma in cui l’arco e i setti del ponte Maillart si fondono in un unico guscio con doppia curvatura anticlastica, evitando così le concentrazioni di sforzo sull’arco all’inserzione coi setti tipica dei ponti Maillart [6-7].
Partendo da queste premesse, si è allora data forma a un ponte pedonale in curva in cui, come in un ponte in curva di Schlaich, l’impalcato è a sbalzo su una trave principale ad anello sorretta, invece che da pendini o da stralli inclinati e tesi, da un guscio in cemento armato coi meridiani inclinati e compressi e i paralleli pure compressi ma con curvatura di segno opposto. Partendo allora dalla necessaria inclinazione rispetto alla verticale dei meridiani del guscio e dalla curvatura del suo bordo superiore imposta dall’impalcato in curva su di esso appoggiato, si è modellato un guscio in cemento armato con superficie anticlastica di area minima per assegnate condizioni al contorno. La forma del guscio è infatti innanzitutto determinata dalla scelta delle condizioni al contorno, ovvero dalla curva dell’impalcato e dalla posizione dei vincoli del guscio lungo il pendio (sulle spalle del ponte).
Un ruolo fondamentale lo ha poi la precompressione esterna all’estradosso della trave curva a cassone poggiata sul bordo superiore del guscio, e a cui sono collegate le travi a mensola a doppio T che sorreggono la soletta di calcestruzzo per formare un impalcato a struttura mista acciaio-calcestruzzo. Solo l’applicazione della precompressione è in grado di riportare in equilibrio l’impalcato a sbalzo, applicando di fatto una coppia opposta a quella generata dai carichi sull’impalcato. Ciò porta a ridurre la freccia nei limiti accettabili per il ponte e a ridurre le tensioni in esercizio nella trave a cassone a livelli tensionali accettabili.

PONTI A GUSCIO E PONTI IN CURVA NELLA STORIA DELL’ARCHITETTURA STRUTTURALE

Ponti a guscio

Musmeci, coi ponti a guscio, ha dato forma a dei veri capolavori dell’architettura, come notarono, fra gli altri, Zevi prima e Manfredi Nicoletti poi [5]. Oltre al vantaggio di ottenere un guscio equicompresso molto rigido, i ponti a guscio hanno, ancor più dei ponti Maillart, il vantaggio di avere una struttura con un buon funzionamento tridimensionale. Se in questi ultimi ogni elemento (setti, arco e impalcato) svolge la sua precisa funzione nelle tre dimensioni eliminando qualsiasi inutile riempimento, nei primi si evita anche lo svantaggio dei ponti Maillart di avere elevate concentrazioni di sforzo nelle zone di inserzione fra i setti e l’arco, fondendoli in un'unica struttura a guscio a doppia curvatura anticlastica di superficie minima. Sulle orme di Maillart, precursore dei moderni ponti in curva con il suo Schwandbach Brücke, e di Schlaich, l’attuale grande innovatore nel campo dei ponti in curva, ed estendendo a questi la tecnica progettuale dei ponti a guscio di Musmeci, vale allora la pena di dar forma a ponti in curva sorretti da una struttura a guscio che, seguendo Musmeci, dovranno avere superficie anticlastica di minima area.
Notando allora che alcuni maestri dell’architettura strutturale (da Frei Otto [8] a Heinz Isler [9] passando per Sergio Musmeci) hanno spesso dato forma ai loro gusci modellandoli attraverso tensostrutture ausiliarie che avessero stessa forma, stesse condizioni al contorno e stesse forze interne e reazioni vincolari dei relativi gusci, ma di segno opposto, si è data forma al ponte con impalcato sorretto da un guscio in cemento armato di minima area mediante un algoritmo normalmente utilizzato per il “formfinding” delle tensostrutture [10-11].

All'interno dell'articolo completo:

• Ponti in curva
• CONCEPTUAL DESIGN DEI PONTI A GUSCIO IN CURVA
• COMPORTAMENTO STRUTTURALE DEL PONTE IN CURVA A GUSCIO
• CONCLUSIONI
  
• BIBLIOGRAFIA

Memoria tratta dagli atti delle GIORNATE AICAP 2014, Bergamo 22-24 maggio 2014