Ponte in cemento armato
Sfondo
Circa 590.000 ponti stradali attraversano corsi d’acqua, depressioni a secco, altre strade e ferrovie in tutti gli Stati Uniti. I ponti più spettacolari usano sistemi complessi come archi, cavi o capriate a triangolo per portare la strada tra maestose colonne o torri. Tuttavia, il cavallo di battaglia del sistema di ponti autostradali è il relativamente semplice e poco costoso ponte a travi in cemento armato.
Anche noto come ponte a travi, un ponte a travi consiste in una lastra orizzontale sostenuta ad ogni estremità. Poiché tutto il peso della lastra (e qualsiasi oggetto sulla lastra) è trasferito verticalmente alle colonne di supporto, le colonne possono essere meno massicce dei supporti per i ponti ad arco o a sospensione, che trasferiscono parte del peso orizzontalmente.
Un ponte a trave semplice è generalmente usato per coprire una distanza di 250 piedi (76,2 m) o meno. Distanze più lunghe possono essere coperte collegando una serie di ponti a trave semplice in quella che è conosciuta come una campata continua. Infatti, il ponte più lungo del mondo, il Lake Pontchartrain Causeway in Louisiana, è una coppia di ponti paralleli a due corsie a campata continua lunghi quasi 24 miglia (38,4 km). Il primo dei due ponti fu completato nel 1956 e consiste in più di 2.000 campate individuali. Il ponte gemello (che ora trasporta il traffico in direzione nord) fu completato 13 anni dopo; sebbene sia più lungo di 228 piedi rispetto al primo ponte, contiene solo 1.500 campate.
Un ponte ha tre elementi principali. In primo luogo, la sottostruttura (fondazione) trasferisce il peso caricato del ponte al suolo; consiste di componenti come le colonne (chiamate anche pilastri) e le spalle. Una spalla è il collegamento tra l’estremità del ponte e la terra; fornisce il supporto per le sezioni finali del ponte. In secondo luogo, la sovrastruttura del ponte è la piattaforma orizzontale che attraversa lo spazio tra le colonne. Infine, il ponte è la superficie di trasporto del traffico aggiunta alla sovrastruttura.
Storia
L’uomo preistorico iniziò a costruire ponti imitando la natura. Trovando utile camminare su un albero che era caduto attraverso un ruscello, iniziò a posizionare tronchi d’albero o lastre di pietra dove voleva attraversare i ruscelli. Quando voleva attraversare un corso d’acqua più ampio, capì come impilare pietre nell’acqua e posare travi di legno o pietra tra queste colonne e la riva.
Il primo ponte documentato fu descritto da Erodoto nel 484 a.c. Era costituito da travi sostenute da colonne di pietra, ed era stato costruito attraverso il fiume Eufrate circa 300 anni prima.
Più famosi per i loro ponti ad arco di pietra e cemento, i Romani costruirono anche ponti di travi. Infatti, il primo ponte romano conosciuto, costruito attraverso il fiume Tevere nel 620 a.c., era chiamato Pons Sublicius perché era fatto di travi di legno (sublicae). Le tecniche di costruzione dei ponti romani includevano l’uso di cassoni durante la costruzione delle colonne. Lo facevano guidando una disposizione circolare di pali di legno nel terreno intorno alla posizione prevista della colonna. Dopo aver rivestito l’anello di legno con argilla per renderlo impermeabile, pompavano l’acqua fuori dal recinto. Questo permetteva loro di versare il calcestruzzo per la base della colonna.
La costruzione di ponti iniziò la transizione dall’arte alla scienza nel 1717 quando l’ingegnere francese Hubert Gautier scrisse un trattato sulla costruzione di ponti. Nel 1847, un americano di nome Squire Whipple scrisse A Work on Bridge Building, che conteneva i primi metodi analitici per calcolare le sollecitazioni e gli sforzi in un ponte. La “Consulting bridge engineering” fu stabilita come una specialità all’interno dell’ingegneria civile negli anni 1880.
Altri progressi nella costruzione di ponti a travi sarebbero venuti principalmente dai miglioramenti nei materiali da costruzione.
Materiali da costruzione e il loro sviluppo
La maggior parte dei ponti a travi dell’autostrada sono costruiti in cemento e acciaio. I romani usavano il calcestruzzo fatto di calce e pozzalana (una polvere rossa vulcanica) nei loro ponti. Questo materiale si stabilizzava rapidamente, anche sotto l’acqua, ed era forte e impermeabile. Durante il Medioevo in Europa si usava invece la malta di calce, ma era solubile in acqua. Il popolare cemento Portland di oggi, una particolare miscela di calcare e argilla, fu inventato nel 1824 da un muratore inglese di nome Joseph Aspdin, ma non fu ampiamente utilizzato come materiale di fondazione fino ai primi anni del 1900.
Il cemento ha una buona resistenza alla compressione (forza di pressione), ma non è altrettanto forte sotto tensione (forza di trazione). Ci sono stati diversi tentativi in Europa e negli Stati Uniti durante il diciannovesimo secolo per rafforzare il calcestruzzo incorporandovi del ferro resistente alla tensione. Una versione superiore fu sviluppata in Francia durante gli anni 1880 da Francois Hennebique, che usò barre di rinforzo in acciaio. Il primo uso significativo del cemento armato in un ponte negli Stati Uniti fu l’Alvord Lake Bridge nel Golden Gate Park di San Francisco; completato nel 1889 e tuttora in uso, fu costruito con barre di rinforzo in acciaio ritorto ideate dal progettista Ernest L. Ransome.
Il successivo progresso significativo nella costruzione del cemento fu lo sviluppo della precompressione. Una trave di calcestruzzo è precompressa tirando delle barre d’acciaio che corrono attraverso la trave e poi ancorando le estremità delle barre alle estremità della trave. Questo esercita una forza di compressione sul calcestruzzo, compensando le forze di trazione che sono esercitate sulla trave quando un carico è posto su di essa. (Un peso che preme su una trave orizzontale tende a piegare la trave verso il basso nel mezzo, creando forze di compressione lungo la parte superiore della trave e forze di trazione lungo la parte inferiore della trave.)
La compressione può essere applicata a una trave di calcestruzzo che è prefabbricata in una fabbrica, portata in cantiere e sollevata in posizione da una gru; o può essere applicata al calcestruzzo gettato in opera che è versato nella posizione finale della trave. La tensione può essere applicata ai fili d’acciaio o alle barre prima che il calcestruzzo sia versato (pretensionamento), o il calcestruzzo può essere versato intorno a tubi contenenti acciaio non teso a cui viene applicata la tensione dopo che il calcestruzzo si è indurito (post-tensionamento).
Progettazione
Ogni ponte deve essere progettato individualmente prima di essere costruito. Il progettista deve prendere in considerazione una serie di fattori, tra cui la topografia locale, le correnti d’acqua, le possibilità di formazione di ghiaccio nel fiume, i modelli di vento, il potenziale sismico, le condizioni del suolo, i volumi di traffico previsti, l’estetica e i limiti di costo.
Inoltre, il ponte deve essere progettato per essere strutturalmente solido. Questo comporta l’analisi delle forze che agiranno su ogni componente del ponte completato. Tre tipi di carichi contribuiscono a queste forze. Il carico morto si riferisce al peso del ponte stesso. Il carico vivo si riferisce al peso del traffico che il ponte porterà. Il carico ambientale si riferisce ad altre forze esterne come il vento, possibili azioni sismiche e potenziali collisioni del traffico con i supporti del ponte. L’analisi viene effettuata per le forze statiche (stazionarie) del carico morto e le forze dinamiche (in movimento) dei carichi vivi e ambientali.
Dalla fine degli anni 60, il valore della ridondanza nella progettazione è stato ampiamente accettato. Questo significa che un ponte è progettato in modo che il fallimento di un qualsiasi membro non causerà un crollo immediato dell’intera struttura. Questo si ottiene rendendo gli altri membri abbastanza forti da compensare un membro danneggiato.
Il processo di costruzione
Perché ogni ponte è progettato in modo unico per un sito e una funzione specifici, il processo di costruzione varia anche da un ponte all’altro. Il processo descritto di seguito rappresenta le fasi principali nella costruzione di un ponte in cemento armato abbastanza tipico che attraversa un fiume poco profondo, con supporti intermedi delle colonne in cemento situati nel fiume.
Le dimensioni di esempio per molti dei componenti del ponte sono incluse nella seguente descrizione come aiuto alla visualizzazione. Alcuni sono stati presi dagli opuscoli dei fornitori o dalle specifiche standard dell’industria. Altri sono dettagli di un ponte autostradale che è stato costruito attraverso il Rio Grande ad Albuquerque, New Mexico, nel 1993. Il ponte, lungo 1.245 piedi e largo 10 corsie, è sostenuto da 88 colonne. Contiene 11.456 metri cubi di cemento nella struttura e altri 8.000 metri cubi nella pavimentazione. Contiene anche 6,2 milioni di libbre di acciaio per cemento armato.
Sottostruttura
- 1 Un cofferdam è costruito intorno ad ogni colonna nel letto del fiume, e l’acqua è pompata dall’interno del recinto. Un metodo per impostare le fondamenta è quello di perforare i pozzi attraverso il letto del fiume, fino al bedrock. Mentre una trivella fa risalire il terreno dal pozzo, un impasto di argilla viene pompato nel foro per sostituire il terreno e impedire che il pozzo crolli. Quando la profondità appropriata è raggiunta (per esempio, circa 80 piedi o 24,4 m), una gabbia cilindrica di acciaio di rinforzo (armatura) è abbassata nel pozzo riempito di fango (per esempio, 72 pollici o 2 m di diametro). Il calcestruzzo viene pompato sul fondo del pozzo. Man mano che il pozzo si riempie di calcestruzzo, i fanghi vengono forzati fuori dalla parte superiore del pozzo, dove vengono raccolti e puliti in modo da poter essere riutilizzati. La parte fuori terra di ogni colonna può essere formata e gettata sul posto, o essere prefabbricata e sollevata sul posto e attaccata alla fondazione.
- 2 Le spalle del ponte sono preparate sulla riva del fiume dove l’estremità del ponte sarà appoggiata. Un muro posteriore in calcestruzzo è formato e versato tra la cima della riva e il letto del fiume; questo è un muro di contenimento per il terreno oltre la fine del ponte. Una sporgenza (sede) per l’estremità del ponte su cui poggiare è formata nella parte superiore del muro posteriore. I muri d’ala possono anche essere necessari, estendendosi verso l’esterno dal muro posteriore lungo la riva del fiume per trattenere la terra di riempimento per gli approcci al ponte.
- 3 In questo esempio, il ponte poggia su una coppia di colonne in ogni punto di supporto. La sottostruttura è completata posizionando un tappo (una trave di cemento armato) perpendicolare alla direzione del ponte, che arriva dalla cima di una colonna alla cima della sua compagna. In altri progetti, il ponte potrebbe poggiare su diverse configurazioni di supporto, come un pilastro rettangolare largo come un ponte o una singola colonna a forma di T.
Superstruttura
- 4 Una gru è usata per mettere travi in acciaio o in cemento precompresso tra serie consecutive di colonne per tutta la lunghezza del ponte. Le travi sono imbullonate ai cappucci delle colonne. Per il ponte autostradale di Albuquerque, ogni trave è alta 6 ft (1,8 m) e lunga fino a 130 ft (40 m), e pesa fino a 54 tonnellate.
- 5 Pannelli d’acciaio o lastre di cemento prefabbricato sono posati attraverso le travi per formare una solida piattaforma, completando la sovrastruttura del ponte. Un produttore offre un pannello ondulato profondo 4,5 pollici (11,43 cm) di acciaio pesante (calibro 7 o 9), per esempio. Un’altra alternativa è una forma d’acciaio stay-in-place per il ponte di cemento che sarà versato più tardi.
Piano
- 6 Una barriera di umidità è posta sopra la piattaforma della sovrastruttura. Potrebbe essere usato asfalto modificato con polimeri applicato a caldo, per esempio.
- 7 Una griglia di barre di rinforzo in acciaio è costruita sopra la barriera di umidità; questa griglia sarà successivamente incassata in una lastra di cemento. La griglia è tridimensionale, con uno strato di barre d’armatura vicino alla parte inferiore della lastra e un altro vicino alla parte superiore.
- 8 La pavimentazione in calcestruzzo viene versata. Uno spessore di 8-12 in (20,32-30,5 cm) di pavimentazione in calcestruzzo è appropriato per un’autostrada. Se sono state usate forme stay-in-place come piattaforma della sovrastruttura, il calcestruzzo viene versato in esse. Se le forme non sono state utilizzate, il calcestruzzo può essere applicato con una macchina di pavimentazione a casseforme scorrevoli che sparge, consolida e liscia il calcestruzzo in un’unica operazione continua. In entrambi i casi, una struttura resistente allo scivolamento è posta sulla lastra di calcestruzzo fresco segnando manualmente o meccanicamente la superficie con una spazzola o un materiale ruvido come la iuta. I giunti laterali sono forniti approssimativamente ogni 15 piedi (5 m) per scoraggiare l’incrinatura della pavimentazione; questi sono aggiunti alle forme prima di versare il calcestruzzo o tagliati dopo che una lastra formata in slip si è indurita. Un sigillante flessibile è usato per sigillare il giunto.
Controllo di qualità
Il progetto e la costruzione di un ponte devono soddisfare gli standard sviluppati da diverse agenzie tra cui l’Associazione Americana dei Funzionari Statali delle Strade e dei Trasporti, la Società Americana per la Prova e i Materiali, e l’Istituto Americano del Calcestruzzo. Vari materiali (per esempio, lotti di calcestruzzo) e componenti strutturali (per esempio, travi e connessioni) sono testati mentre la costruzione procede. Come ulteriore esempio, nel progetto del ponte di Albuquerque, sono state condotte prove di resistenza statica e dinamica su una fondazione campione di colonne che è stata costruita sul posto, e su due dei pozzi di produzione.
Il futuro
Numerose agenzie governative e associazioni industriali sponsorizzano e conducono ricerche per migliorare materiali e tecniche di costruzione. Uno degli obiettivi principali è lo sviluppo di materiali più leggeri, più forti e più durevoli come il calcestruzzo riformulato ad alte prestazioni; materiali compositi polimerici rinforzati con fibre per sostituire il calcestruzzo per alcuni componenti; rivestimenti epossidici e sistemi di protezione elettrochimica per prevenire la corrosione del tondino d’acciaio; fibre sintetiche alternative di rinforzo; e tecniche di test più veloci e accurate.
Dove saperne di più
Libri
Brown, David J. Bridges. New York: Macmillan, 1993.
Hardesty, E. R., H. W. Fischer, R. W. Christie, e B. Haber. “Ponte.” In McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. New York: McGraw-Hill Book Company, 1987, pp. 49-58.
Troitsky, M.S. Planning and Design of Bridges. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1994.
Altro
“General Information About Concrete Pavement.” American Concrete Pavement Association. http://www.pavement.com/general/conc-info.html (24 febbraio 1998).
“Beam Bridge.” Nova Online “Super Bridge”. Novembre 1997. http://www.pbs.org/wghb/nova/bridge/meetbeam.html (24 feb. 1998).
-Loretta Hall