Transcript i viadotti pieruccia, valpiana e sorgente (mercatello sul

I VIADOTTI PIERUCCIA, VALPIANA E SORGENTE
(MERCATELLO SUL METAURO – PU)
THE PIERUCCIA, VALPIANA, SORGENTE VIADUCTS
(MERCATELLO SUL METAURO – PU)
Alberto Miazzon
OMBA Impianti & Engineering S.p.A.
President
Torri di Quartesolo (Vicenza)
[email protected]
Emanuele Maiorana, Luca Rampin
OMBA Impianti & Engineering S.p.A.
Engineering department
Torri di Quartesolo (Vicenza)
ABSTRACT
This note covers some of the aspects of the steel construction of Pieruccia, Valpiana and
Sorgente viaducts, in Mercatello sul Metauro (near Pesaro and Urbino), in the roadway E 78
Grosseto – Fano. Starting from the early design stages, with a comparison between the
solutions adopted and the possible alternatives, the paper goes through description of the main
features of the structure (orthotropic deck based on continuous girders), the construction and
assembly aspects, installation and erection. Particular attention is paid to solutions adopted for
shop construction, assebly and yiard erecting.
SOMMARIO
La nota riferisce alcuni aspetti della costruzione delle opere metalliche costituenti i viadotti
Pieruccia, Valpiana e Sorgente, in località Mercatello sul Metauro (provincia di Pesaro e
Urbino), relativo alla Strada di Grande Comunicazione (S.G.C.) E 78 Grosseto – Fano.
Prendendo l’avvio dalla fase di scelta progettuale, vengono illustrate le principali
caratteristiche dell’opera (impalcati a lastra ortotropa, a travata continua), gli aspetti
costruttivi, l’assemblaggio e la posa in opera con varo dal basso. Viene dato particolare risalto
alle soluzioni adottate sia per la costruzione in stabilimento che per l’esecuzione del
montaggio in cantiere.
1
INTRODUZIONE
I viadotti qui descritti sono relativi alla tratta nel comune di Mercatello sul Metauro, della
Strada di Grande Comunicazione E78 Grosseto – Fano ed hanno le seguenti caratteristiche
principali comuni: – i viadotti sono ad impalcato interamente metallico a lastra ortotropa;
– sono progettati per carichi stradali per ponti di 1° categoria;
– la zona sismica appartiene alla seconda categoria (S=9).
Le caratteristiche proprie di ogni viadotto sono di seguito riportate:
1.1
Viadotto Pieruccia
Il viadotto Pieruccia (Figura 1) a due vie indipendenti (via destra e via sinistra), è realizzato
interamente in acciaio, a piastra ortotropa, con schema statico di trave semplicemente
appoggiata su singola campata di 52 m di luce teorica. La struttura è costituita da due travi
principali poste ad interasse di 5.7 m collegate inferiormente da un controvento reticolare e
superiormente dall’impalcato in piastra ortotropa. Quest’ultimo è costituito da una lamiera, di
spessore 12 mm, irrigidita longitudinalmente da canalette, con sezione chiusa trapezia,
disposte ad interasse 600 mm e trasversalmente da traversi a ⊥ posti ad interasse di 3.25 m. La
larghezza complessiva d’impalcato è di 10.8 m. Il new jersey laterale in acciaio occupa 0.5 m,
mentre al lato opposto è posizionato un guard – rail che separa la carreggiata dal marciapiede.
All’esterno viene posto un parapetto. L’altezza di trave è costante, pari a 3.0 m. La pendenza
trasversale si ottiene con rotazione rigida della sezione indeformata, mantenendo così
un’unica altezza per le travi principali con cassone a sezione prismatica.
Fig.1: Viadotto Pieruccia. Sezione longitudinale e pianta
1.2
Viadotto Valpiana
Il viadotto Valpiana (Figura 2) è realizzato interamente in acciaio, a piastra ortotropa, con
schema statico di trave continua su due campate di luce teorica pari a 55 m cadauna. La
struttura è costituita da due travi principali poste ad interasse di 5700 mm collegate
inferiormente da un controvento reticolare e superiormente dall’impalcato in lastra ortotropa.
Quest’ultimo è costituito da una lamiera, di spessore 12 mm, irrigidita longitudinalmente da
canalette, con sezione chiusa trapezia, disposte ad interasse 600 mm e trasversalmente da
traversi a ⊥ posti ad interasse di 3055 mm. La larghezza complessiva d’impalcato è di 12100
mm. Da ambo i lati è posizionato un guard – rail. All’esterno viene posto un parapetto.
L’altezza di trave è costante, pari a 3000 mm. La pendenza trasversale, costante e pari al
4.5%, si ottiene con rotazione della sezione, mantenendo così un’unica altezza per le travi
principali.
Fig.2: Viadotto Valpiana. Sezione longitudinale e pianta
1.3
Viadotto Sorgente
Il viadotto Sorgente (Figura 3) è realizzato interamente in acciaio, a piastra ortotropa, con
schema statico di trave continua su tre campate di luce teorica pari rispettivamente a 52.5,
70.0 e 52.5 m. La struttura è costituita da due travi principali poste ad interasse di 5700 mm
collegate inferiormente da un controvento reticolare e superiormente dall’impalcato in lastra
ortotropa. Quest’ultimo è costituito da una lamiera, di spessore 12 mm, irrigidita
longitudinalmente da canalette, con sezione chiusa trapezia, disposte ad interasse 600 mm e
trasversalmente da traversi a ⊥ posti ad interasse di 2910 mm. La larghezza complessiva
d’impalcato è di 12.1 m. Da ambo i lati è posizionato un guard – rail. All’esterno viene posto
un parapetto. L’altezza di trave è costante, pari a 3000 mm. La pendenza trasversale, costante
e pari al 4.5%, si ottiene con rotazione della sezione, mantenendo così un’unica altezza per le
travi principali.
Fig.3: Viadotto Sorgente. Sezione longitudinale e pianta
2
LA SCELTA PROGETTUALE
Dopo un’analisi comparativa con altre soluzioni (campate in c.a.p. gettate in opera, campate
in sistema misto acciaio – cemento armato) alla fine la soluzione preferita è stata quella di
impalcato interamente metallico a lastra ortotropa (Figura 4 e Figura 5), per le seguenti
motivazioni:
a–
consente di superare luci notevoli senza essere al limite delle possibilità realizzative;
b–
è caratterizzata dalla minore massa in assoluto, il peso proprio dell’impalcato (circa
3.5 kN/m2) è pari ad 1/3 ed 1/8 del peso rispettivamente della soluzione acciaio-c.a. e
di quella totalmente in c.a.p.;
c–
è meno sensibile a problemi di cedimento differenziale (h e v) dei vincoli;
d–
la qualità e stabilità dell’opera non sono condizionate dall’esecuzione di getti di
calcestruzzo.
Fig.4: Viadotto Pieruccia. Sezione trasversale tipo
Fig.5: Viadotto Valpiana e Sorgente
3
CARATTERISTICHE GENERALI DELL’OPERA
Per schemi statici e altri dettagli si vedano i paragrafi precedenti. Le seguenti descrizioni
valgono per tutti i ponti qui descritti, con ovvi adeguamenti caso per caso. L’impalcato è
costituito da due travi principali ad anima piena, di altezza costante pari a 3000 mm, di
sezione a T rovescio, disposte ad un interasse di 5700 mm, saldate alla lamiera superiore,
plurirrigidita (lastra ortotropa) da canalette longitudinali e traversi a T rovescio, da una serie
di diaframmi verticali reticolari trasversali e da una controventatura orizzontale inferiore. La
struttura è stata calcolata, in esercizio, come un cassone torsio-rigido ([Bredt 1896]): le anime
delle travi, la piastra superiore ed il traliccio inferiore (reso equipollente ad una lamiera di
spessore opportuno, secondo note espressioni [Kollbrunner 1969]), costituiscono le quattro
pareti delimitanti il cassone stesso e quindi il percorso per il flusso di tensione tangenziale
(analogia idrodinamica o di Greenhill). I diaframmi reticolari verticali assicurano il
mantenimento di forma della sezione. Lo schema statico principale è quello di trave continua
o semplicemente appoggiata. Le anime delle travi principali sono dotate di irrigidenti
trasversali, in relazione alle verifiche di stabilità anche di montaggio. Data la larghezza della
piattaforma stradale, in relazione alla luce delle campate, le caratteristiche statiche delle varie
sezioni sono ottenute considerando una riduzione di larghezza collaborante di piastra, tenendo
conto dell’effetto di “shear lag” (cfr. ad es.[Maquoi 1977]). Per l’analisi delle sollecitazioni
dell’impalcato a lastra ortotropa, per convenienza di calcolo, è stato utile trattare
separatamente i seguenti tre sistemi strutturali:
- I sistema: le travi principali e la relativa parte di deck (lastra+ribs) collaborante con la
sezione, nel comportamento globale;
- II sistema: il deck costituito dalle travi secondarie di impalcato (rinforzi longitudinali e
trasversali), e la relativa lastra con esse collaborante, vincolato alle travi principali alle
quali riporta i carichi agenti sul deck;
- III sistema: la lamiera del deck, calcolata come elemento continuo, che sostiene i carichi
concentrati (ruote dei veicoli) agenti fra i ribs e trasmette le reazioni ai ribs medesimi.
Per la valutazione delle sollecitazioni e la loro combinazione si è fatto riferimento alle
classiche trattazioni sull’argomento (ad es. [Pelikan 1958] e [AISC 1963]), nonché tabelle
[Murray 1981]. Lo stato di sollecitazione finale risulta dalla sovrapposizione dei tre sistemi
precedenti, con alcune avvertenze per quanto riguarda i criteri di resistenza, al fine di tenere in
conto adeguatamente delle riserve di resistenza delle lastre ortotrope (si vedano all’uopo i
classici lavori di [Klöppel 1951], [Klöppel 1958], [Klöppel 1960], che mettono in risalto
valori del rapporto (carico di collasso)/(carico teorico) ben superiori a 2) e dell’effettivo
comportamento statico. Alla fine si sono adottati i seguenti criteri:
a- le tensioni dovute al sistema III, agenti essenzialmente in direzione trasversale, sono
trascurabili ai fini della combinazione delle tensioni longitudinali con i sistemi I e II;
b- la lamiera del deck, nella combinazione dei sistemi I, II e III, per la sollecitazione
composta (secondo Huber-Hencky-v.Mises) viene verificata anche in accordo ad [AISC
1963]; la massima freccia locale è verificata al fine di garantire l’integrità della
pavimentazione (fmax≤1/300 interasse dei supporti);
c- i ribs e la lamiera del deck collaborante, nella combinazione dei sistemi I e II, per la
sollecitazione composta (H-H-v.M.) vengono verificati con adeguati coefficienti
correttivi; garantendo invece il non superamento delle tensioni ammissibili per i due
sistemi, I e II, verificati singolarmente.
Le sollecitazioni della sezione resistente sono calcolate considerando le canalette
compartecipanti con la loro geometria per le verifiche di resistenza locali e globali.
I carichi agenti considerati sono, oltre al peso proprio ed ai permanenti, quelli secondo il D.
M. 04.05.90. Le verifiche sono state condotte anche secondo il metodo delle tensioni
ammissibili (CNR-UNI 10011).
L’acciaio strutturale impiegato è del tipo con resistenza migliorata alla corrosione atmosferica
(UNI EN 10155); in relazione agli aspetti di tenacità alle basse temperature i gradi utilizzati
sono i seguenti:
- S 355 J2G1W per gli elementi saldati di spessore t ≤ 40 mm;
- S 355 K2G1W per gli elementi saldati di spessore t > 40 mm;
- S 355 J0W per profilati, angolari ed elementi secondari, comunque non saldati.
La bulloneria adottata è ad alta resistenza ( classe 10.9 viti + 10 dadi secondo UNI EN 20898,
UNI 5712, 5713, rosette C50 (HRC32 ÷ 40) secondo UNI 7845 e 5714). I giunti bullonati
sono stati dimensionati ad attrito tenendo conto di un coefficiente tipico d’attrito pari a µ =
0.3, per quanto riguarda i giunti dei traversi, a taglio per i giunti di controventi e diaframmi.
Tuttavia i giunti a taglio sono stati verificati anche ad attrito per la frazione di sollecitazione
derivante dai carichi dovuti al traffico stradale.
Per l’impalcato non è stato previsto alcun trattamento anticorrosivo sia perché si è utilizzato
un acciaio c.d. patinabile, sia perché le caratteristiche ambientali della località ove è ubicata
l’opera si possono considerare idonee al processo di formazione di uno strato di ossido
resistente e duraturo, tale da arrestare il processo di arrugginimento negli strati superficiali
dell’acciaio e da preservare da un avanzamento del processo corrosivo [Chatterjee 2003].
4
IL PROGETTO COSTRUTTIVO E D’OFFICINA
Il progetto costruttivo è stato ottimizzato in funzione della costruzione in officina,
dell’assemblaggio e del montaggio in opera. In Sintesi gli aspetti presi in considerazione si
possono riassumere nei seguenti:
1rendere compatibile l’impalcato con la tecnica di posa in opera, adottata;
2rendere minimo il numero di conci (quindi di giunti saldati e bullonati in opera);
3assicurare adeguata affidabilità esecutiva alle giunzioni in opera;
4adottare per l’esecuzione dei giunti della lastra superiore le tecniche più moderne ed
affidabili (si veda [Rampin 2003] per una sintesi aggiornata);
5ottimizzare le fasi realizzative, in particolare di assemblaggio in cantiere, dell’opera;
6ottimizzare i dettagli connessi alla verifiche a fatica [Fisher 1977], [Kolstein 1996];
7ottimizzare il progetto in relazione alle verifiche di stabilità dell’equilibrio elastico, in
relazione anche alle fasi di montaggio in opera.
Per quanto applicabile alla progettazione costruttiva, si è fatto riferimento alla normativa
europea, ancora sperimentale, ENV 1090-5: Execution of steel structures, supplementari rules
for bridges (1998).
Fig.6: Sollevamento trave
Fig.7: Giunto bullonato
Fig.8: Vista dal basso
Fig.9: Vista d’assieme
5
COSTRUZIONE IN OFFICINA
Lo scopo della costruzione in officina è quello di trasformare la materia prima
(essenzialmente lamiere) in elementi, prefabbricati e trasportabili, di carpenteria metallica
sulla base dei disegni costruttivi, dando valore alle ipotesi di calcolo strutturale per quanto
riguarda, in particolare, le tolleranze di costruzione, (ENV 1090:1998). E’ ormai usuale, nei
calcoli di stabilità, riferirsi ai cosiddetti difetti iniziali degli elementi strutturali, ovvero
verificare la validità delle ipotesi iniziali di elemento indeformato, qualora le tolleranze di
costruzione rispettino limiti sufficientemente ristretti [DASt-Richtlinie 012, 1978].
Le attività iniziali d’officina possono considerarsi delle prelavorazioni, le principali sono:
- taglio delle lamiere per ottenere strisce o pannelli;
- cianfrinatura, alla macchina utensile, dei bordi per la preparazione del cianfrino di
saldatura;
- composizione per saldatura dei profili a T ed a doppio T con impianti automatici,
saldatura ad arco sommerso a teste contrapposte, senza tratti di imbastitura grazie a gabbie
a rulli, entro le quali scorre il profilo; la gabbia post-deformatrice consente di raddrizzare
la piattabanda (tmax ≈ 35 mm), recuperando la deformazione angolare intrinseca del
procedimento di saldatura [Masubuchi 1980];
- taglio e foratura dei profilati e delle travi saldate con impianti a controllo numerico.
Le successive lavorazioni sono quelle di prefabbricazione; anche queste avvengono di regola
per fasi successive, non con montaggio e saldatura in unica fase, al fine di dare una adeguata
risposta alle aspettative di “qualità intrinseca” dei manufatti. La prefabbricazione si svolge
secondo le seguenti fasi:
- panel-line, ai pannelli di lamiera vengono montati e saldati i soli irrigidimenti
longitudinali, nel rispetto delle tolleranze di planarità; l’impianto è dotato di banco di
imbastitura e saldatura a predeformazione oleodinamica (la saldatura a ritiro libero e
senza adeguate predeformazioni comporta l’effetto “hungry horse” ([Massonnet 1981],
[Dubas 1986] e [Masubuchi 1980]), e la centinatura longitudinale); la saldatura è eseguita
SAW con portale a 4-6 teste autoguidate (saldatura simultanea, in simmetria, sino a
due/tre irrigidenti); a saldatura completata il pannello ha deformazioni (fuori planarità)
praticamente annullate, per spessori modesti (12mm) le tolleranze sono migliori di quelle
iniziali; la lunghezza diminuisce di δ L ≈ 0.1 ÷ 0.5 mm/m [Masubuchi 1980];
- imbastitura e saldatura pannelli, su appositi banchi dotati di riscontri registrabili vengono
posati i pannelli o gli elementi a T delle travi principali, con l’impiego di portali
oleodinamici mobili gli irrigidimenti trasversali, preventivamente prelavorati, vengono
montati, pressati ed imbastiti con robusti tratti di saldatura; il pannello viene quindi
trasferito ad altro banco dotato di posizionatori basculanti (rotazione= ± 45° ÷ 55°) per
l’esecuzione manuale della saldatura (FCAW o MAG).
6
ESECUZIONE DEI LAVORI IN CANTIERE
La tecnica di montaggio dal basso, adottata per queste opere è certamente la più semplice e la
prima da prendere in considerazione quando si analizzi lo studio del montaggio in opera,
richiede che si verifichino alcune condizioni operative di cantiere che possiamo riassumere
nelle seguenti:
- il cantiere, inteso come proiezione dell’impalcato sul suolo, deve essere interamente
percorribile dai mezzi di trasporto dei conci o delle travate assemblate, deve inoltre essere
percorribile dai mezzi di sollevamento (gru semoventi) dei quali si prevede l’impiego;
- l’altezza delle pile rispetto al suolo non deve, di regola, eccedere i 30 m;
- eventuali ostacoli naturali siano di modesta entità (corsi d’acqua di limitata importanza,
modeste discontinuità naturali nella percorribilità dell’area di cantiere, ecc…);
- adeguata portanza dei terreni interessati dal transito dei mezzi;
- possibilità di creare piazzole adeguate al posizionamento e stabilizzazione delle gru di
sollevamento;
- assenza di interferenze con linee elettriche nel raggio d’azione delle gru di sollevamento;
- assenza di venti dominanti semi-permanenti con velocità superiori ai 10 ms-1 (in relazione
all’altezza dei sollevamenti da eseguire).
Fig.10: Vista dal basso
Fig.11: Vista dal basso
Il cantiere in oggetto presenta le caratteristiche sopra illustrate quindi il montaggio in opera è
avvenuto dal basso per conci multipli e l’impiego di pile provvisorie di sostegno posizionate
di regola a circa L/2.
BIBLIOGRAFIA
AISC: Design Manual for Orthotropic Steel Plate Deck Bridges; American Institute of Steel
Construction, New York (USA) 1963.
AISC: Guide for the Analysis of Guy and Stiffleg Derricks; American Institute of Steel
Construction, Inc., Chicago , Illinois (USA) 1974.
BREDT, R.: Kritische Bemerkungen zur Drehungselastizität; Z. VDI (D) (1896).
CHATTERJEE, S.: The Design of Modern Steel Bridges, second edition; Blackwell Science
Ltd. a Blackwell Publishing Company, Oxford (UK), 2003.
DASt-Richtlinie 012: Beulsicherheitsnachweise für Platten; Deutscher Ausschuss für
Stahlbau, (D) 1978.
DUBAS, P., GHERI, E. (Editors): Behaviour and Design of Steel Plated Structures; ECCS –
CECM – EKS, 1986. (Ed. Italiana curata dall’ing. E. Majorana, in corso di pubblicazione
presso C.T.A.)
FISHER, J. W.: Bridge Fatigue Guide, design and details; American Institute of Steel
Construction, Inc., Chicago, Illinois (USA) 1977.
ISO: ISO STANDARDS HANDBOOK – Cranes Vol. 1 (in particolare ISO 4306-1:1990,
4306-2:1994; International Organization for standardization, Gèneve (Switzerland) 1997.
KLÖPPEL, K.: Zur orthotropen Platte aus Stahl. Die Neue Köln-Mülheimer Brücke;
herausgegeben von der Stadt Köln (D), 1951.
KLÖPPEL, K.: Über zulässige Spannungen im Stahlbau. Stahlbau-Tagung Baden-Baden,
1954; Stahlbau Verlag, Köln (D), 1958.
KLÖPPEL, K., Roos, E.:Statische Versuche und Dauerversuche zur Frage der Bemessung
von Flachblechen in orthotropen Platten; Der Stahlbau (D), vol. 29, 1960.
KOLLBRUNNER, C. F., BASLER, K.: Torsion in Structures; Springer-Verlag, Berlin 1969.
KOLSTEIN, M. H. (ed altri): Fatigue strength of welded joints in orthotropic steel bridge
decks; international conference on welded structures in particular welded bridges, Budapest
(Hungary) 1996.
MAQUOI, R., MASSONNET, Ch.: Interaction between shear lag and post-buckling
behaviour in box girders ; “Steel Plated Structures”, Ed. P.J. Dowling, J.E. Harding and P.A.
Frieze, Crosby Lockwood Staples, London (UK) 1977.
MASSONNET, Ch., JANSS, J.: A state of art report on tolerances in steel plated structures;
“The design of steel bridges”, Ed. K. C. Rockey and H. R. Evans, Granada Pub. Ltd. (UK)
1981.
MASUBUCHI, K.: Analysis of Welded Structures; Pergamon PressLtd., Oxford, England,
1980.
MURRAY, N. W., THIERAUF, G.: Entwurfs- und Berechnungstabellen für ausgesteifte
Stahlplatten; Friedr. Vieweg und Sohn, Braunschweig (D), 1981.
PELIKAN, W., ESSLINGER, M.: Die Stahl-fahrbahn, Berechnung und Konstruktion;
M.A.N. Forschungsheft N. 7 (D), 1957.
RAMPIN, L., (ed altri): memoria presentata al XIX Congresso C.T.A. Collegio dei Tecnici
dell’Acciaio, Genova (I) 2003.
KEYWORDS
Bridges, realizations, design, shop construction.