Progetti: Ponti Nuovi

Analisi e verifica del nuovo viadotto Cerchio sull’autostrada A25

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Committente:
INFRA Engineering srl - Chieti (IT)

Impalcati fino a 11 campate, 2 travi longitudinali, traversi a doppio T. Soletta continua fra le 2 carreggiate. Relazione di calcolo ed elaborati grafici per progetto esecutivo.

– Analisi e verifica progettuale di ponte in struttura composta acciaio – calcestruzzo
– Ottimizzazione mirata degli spessori di carpenteria metallica
– Analisi delle fasi intermedie di costruzione ed esercizio
– Analisi mediante modello a piastra nervata del comportamento della soletta

Alhambra S.r.l. ha sviluppato, per conto della società di ingegneria INFRA Engineering s.r.l. (gruppo TOTO), la progettazione strutturale esecutiva dell’impalcato del nuovo viadotto Cerchio, situato sull’autostrada A25, impiegando il software LUSAS per l’analisi strutturale, integrato dal software PontiEC4 per l’effettuazione del ciclo di verifiche e l’ottimizzazione della struttura composta acciaio / calcestruzzo. L’intervento rientra nell’ambito degli interventi di ammodernamento della tratta autostradale, ed ha consistito nella sostituzione della sovrastruttura del viadotto esistente, composto da due strutture in c.a.p. affiancate in parallelo, con un nuovo impalcato continuo. La nuova sovrastruttura, in acciaio calcestruzzo, ospita ambedue le carreggiate di marcia, e poggia sui sostegni esistenti, per i quali è stato previsto un intervento di riqualificazione. La progettazione della sovrastruttura, è stata orientata alla definizione di una struttura efficiente e leggera, oltre che al rispetto della fasizzazione di traffico prevista dal cliente, che richiedeva, durante i lavori, il mantenimento del flusso di traffico su almeno una delle due carreggiate. Il nuovo impalcato in acciaio calcestruzzo ha pertanto una configurazione “modulare”, basata sull’adozione di due semi-impalcati, collegati trasversalmente dalla sola soletta in calcestruzzo.

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Realizzazione primo semi-impalcato

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Realizzazione del secondo semi-impalcato e completamento

 

 

La nuova sovrastruttura di impalcato presenta un schema statico a trave continua a 11 campate, con scansione luci omogenea, di ampiezza massima pari a circa 40 m. L’assieme principale metallico è costituito da due coppie di travi longitudinali principali, ciascuna formata da due travi ad interasse trasversale di 7 m, e di altezza totale pari a 2 m. La distanza trasversale tra i due assiemi (ciascuno strutturalmente afferente ad una delle due careggiate) è pari a 11.90 m circa, consentendo l’appoggio di ciascun assieme pressochè in asse alle rispettive campate esistenti. Ciascuna coppia di travi è collegata trasversalmente, da un sistema di traversi in acciaio posti ad interasse pari a circa 6 m. A completare il sistema di supporto della soletta, si predispone una trave longitudinale di spina, poggiante sui traversi, ed ordita in mezzeria a ciascuna delle due coppie di travi principali. Nella configurazione finale, la soletta in c.a. presenta larghezza totale pari a 23.80 m e spessore totale 0.25 m. Essa è destinata ad ospitare le carreggiate di ambedue i sensi di marcia, di ampiezza pari a 10.65 m ciascuna. A separazione delle due carreggiate è predisposta una barriera unifilare installata su di un cordolo in c.a.

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Viadotto Cerchio – prospetto e pianta struttura

 

L’intero intervento è progettato allo scopo di garantire, durante il suo sviluppo, la percorribilità lungo almeno una delle due vie di corsa, con carreggiata ridotta, a due sensi di marcia. Per tale motivo, la fasizzazione costruttiva prevede lo smantellamento iniziale di solo una delle due vie di corsa esistenti, mantenendo il flusso di traffico parzializzato sull’altra carreggiata, cui segue la realizzazione di un nuovo semi-impalcato, staticamente funzionale allo spostamento del traffico della carreggiata parzializzata. Al termine della realizzazione del secondo semi impalcato, le due strutture vengono solidarizzate in corrispondenza della mezzeria del campo centrale di soletta. La prima parte del case study evidenzia principalmente le caratteristiche del software ad elementi finiti LUSAS, la seconda quelle del software PontiEC4.

Il concept strutturale del manufatto è estremamente semplice, nel suo complesso, essendo sostanzialmente basato sulla realizzazione di un doppio grigliato formato da travi e traversi. La presenza, però, della soletta quale unico elemento di collegamento tra le due strutture costringe ad un notevole approfondimento del suo comportamento, che non può più risultare circoscritto allo studio della “statica locale”, ma deve comprendere gli effetti di flessione differenziale delle travi principali su cui poggia, estendendosi quindi alla statica globale. Secondariamente, si sono anche considerati gli effetti, meno impattanti, del vincolo posticipato applicato in corrispondenza della giunzione sul campo centrale di soletta. Attraverso l’utilizzo di LUSAS, è stato possibile creare, in modo estremamente semplice e veloce, modelli F.E.M. a complessità crescente, in funzione degli obbiettivi dell’analisi. Per il calcolo delle sollecitazioni e la verifica deli elementi metallici è stato predisposto un modello a grigliato, basato sull’utilizzo di elementi monodimensionali tipo “beam”, modellando anche la soletta mediante elementi monodimensionali equivalenti. Le proprietà geometriche delle travi longitudinali sono caratterizzate da uno specifico attributo, denominato “bridge deck – girder with top slab”, in grado di combinare, nell’ambito di ciascuna fase analizzata, le proprietà geometriche e di materiale della trave metallica, della soletta collaborante e delle relative armature, in modo da consegnare al solutore le esatte caratteristiche della trave composta nell’ambito di ciascuna fase di analisi.

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Per il calcolo delle sollecitazioni nella soletta, a partire dal medesimo modello impiegato per il calcolo a grigliato, sono stati installati, in luogo degli elementi “discreti” della soletta, elementi bidimensionali tipo “shell”, in grado di restituire l’effettivo quadro tensionale della piastra, sotto l’azione delle varie combinazioni di carico. L’upgrade del modello a grigliato verso un modello più complesso “a piastra nervata” è stato semplice ed immediato, ed è stato limitato, in pratica, alla modifica degli attributi geometrici assegnati originariamente alle travi principali, sostituendo l’attributo geometrico “bridge deck – girder with top slab” con , l’attributo geometrico afferente alla sola trave metallica.

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Modellazione a grigliato / piastra nervata

 

 

L’analisi della fase transitoria, con uno solo dei due impalcati presenti, è stata effettuata “attivando” solamente gli elementi della porzione di impalcato effettivamente presente.

I valori di momento e taglio generati dall’analisi di LUSAS nelle combinazioni di progetto sono stati esportati nel software PontiEC4 per effettuare le verifiche secondo Eurocodice per ponti in sezione mista acciaio-calcestruzzo. Il ciclo di verifica, che viene effettuato in corrispondenza di sezioni decise dall’utente copre tutti gli S.L. previsti dalla normativa e comprende:

Verifiche S.L.U. (*)

– Verifica per tensioni normali

– Verifica a taglio

– Verifica interazione tensioni normali / taglio

– Verifica tensionale elementi longitudinali armatura soletta

– Verifica connessione trave – soletta

 

Verifiche S.L.E.

– Verifiche limitazione delle tensioni

– Verifica connessione trave – soletta

 

Verifiche S.L.E. frequente

– Verifiche “web breathing” – Verifica fessurazione soletta

 

Verifiche S.L. fatica

– Calcolo dei delta di tensione su elementi di carpenteria

– Calcolo dei delta di tensione su connessione trave – soletta

(*) le verifiche S.L.U. vengono effettuate tenendo conto della effettiva classificazione complessiva della sezione, dipendentemente dall’andamento del quadro tensionale dei vari piatti componenti la sezione.

L’interfaccia grafica di PontiEC4 è in grado di fornire, oltre all’andamento delle sollecitazioni e tensioni, il quadro complessivo dei rapporti di sfruttamento nell’ambito delle verifiche di ciascuno Stato Limite. Qui di seguito si riportano alcuni esempi dei diagrammi ottenuti dall’analisi del viadotto Cerchio (i diagrammi sono riferiti alla porzione di travata esterna compresa tra la pila n. 5 e n. 11).

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Rapporti di sfruttamento S.L.U.

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Rapporti di sfruttamento S.L.E.
 
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Rapporti di sfruttamento S.L.E. frequente

 

 

E’ quindi possibile esaminare in dettaglio le verifiche di una singola sezione sia interattivamente, sia attraverso la stampa del report di verifica.

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Dettaglio verifica S.L.U. sez. C7_73 – classificazione sezione (classe 1) e analisi plastica
 

 

Il programma consente inoltre di effettuare le ulteriori verifiche aggiuntive S.L.U. e S.L.E. inerenti:

– Irrigidenti verticali e longitudinali

– Irrigidenti di appoggio

– Elementi di connessione trave-soletta posti alle code impalcato

 

L’integrazione del software PontiEC4 all’interno di LUSAS consente di “colloquiare” tra i due sistemi in modo bidirezionale, permettendo sia l’esportazione delle sollecitazioni da LUSAS verso PontiEC4, sia l’importazione delle caratteristiche geometriche da PontiEC4 verso LUSAS, velocizzando quindi lo sviluppo del processo di ottimizzazione.

L’effetto della rigidezza verticale delle travi sullo stato di sollecitazione della soletta, funzionante, oltre che come elemento ripartitore delle sollecitazioni, anche come elemento di collegamento tra i due semi impalcati, è stato compiutamente valutato mediante l’upgrade dell’originale modello a grigliato verso un modello a piastra nervata. Attraverso questo modello è stato possibile apprezzare l’effetto della rigidezza verticale delle travi longitudinali (massima in mezzeria della campata) rispetto ad un’ipotesi di vincoli fissi sulle travi, si è quindi confrontato l’andamento delle sollecitazioni flettenti trasversali nelle due ipotesi.

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Momento di piastra S.L.U.: vincolo flessibile vs. vincolo rigido

 

L’esame dell’andamento del momento flettente riportato nel diagramma della figura precedente, consente di riscontrare una forte influenza della flessione differenziale delle travi, soprattutto per quanto attiene i momenti flettenti che tendono le fibre inferiori. Si è inoltre valutata l’influenza delle fasi realizzative, sovrapponendo l’andamento del momento flettente trasversale ricavato in fase intermedia (apertura al traffico di un solo semi impalcato) con quello ricavato in fase finale.

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Momento di piastra S.L.U.: fase intermedia vs. fase finale

 

 

In questo caso, si rileva una poco significativa influenza della successione delle fasi realizzative, consentendo, con gli opportuni aggiustamenti, di procedere al dimensionamento delle armature di soletta direttamente partendo dalle sollecitazioni di fase finale.

 

“La considerevole flessibilità operativa del software LUSAS ha consentito la rapida elaborazione di modelli numerici di complessità crescente, ed adeguata di volta in volta ai fini specifici di ciascuna analisi, permettendo rapidità, accuratezza e semplicità di interpretazione, gestione e controllo dei risultati di output. Il software PontiEC4 ha permesso l’ottimizzazione mirata dei vari conci costituenti la travatura metallica, fornendo un quadro chiaro, completo ed esaustivo del grado di utilizzo nei vari Stati Limite contemplati dalla normativa, in tutte le fasi considerate.”

Ing. Antonio Ferrara – Direttore Tecnico INFRA Engineering srl (Chieti)

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