Modellazione ed analisi di strutture precompresse con cavi non aderenti

La precompressione esterna, o a cavi non aderenti, è diventata ormai una valida alternativa alla "collaudata" precompressione tradizionale grazie anche ai notevoli progressi compiuti negli ultimi 30 anni dalla tecnologia dei materiali, in particolare nell’ambito dello sviluppo delle tecniche per la protezione dei cavi dalla corrosione. In Germania, ad esempio, i ponti con impalcato a cassone vengono progettati, ormai, utilizzando questa tecnologia che è risultata competitiva sia perché economicamente più vantaggiosa sia perché garantisce una buona durabilità ed una facile manutenzione della struttura. Questi ultimi due aspetti interessano notevolmente le autorità pubbliche dei vari paesi europei tanto che sta aumentando la richiesta di applicazione di questo nuovo sistema di precompressione. Per comprendere a pieno le potenzialità di questa tecnologia bisogna evidenziare che le applicazioni della precompressione a cavi non aderenti non sono ristrette al calcestruzzo: qualunque materiale con una buona resistenza a compressione può essere combinato con cavi non aderenti. Esistono, infatti, applicazioni di questo tipo di precompressione a strutture in acciaio, miste acciaio e calcestruzzo, strutture in muratura. Questa versatilità ha fatto sì che le applicazioni si estendessero a diversi tipi di strutture: dagli impalcati da ponte alle travi e alle coperture di edifici, da strutture circolari come i silos ad edifici in muratura. Attualmente gli impalcati da ponte rimangono, comunque, il principale campo di applicazione nell’ambito del quale la precompressione a cavi non aderenti risulta economicamente vantaggiosa soprattutto per ponti lunghi costruiti per conci prefabbricati mentre la precompressione tradizionale sembra ancora conveniente per viadotti corti a campate ridotte. Negli ultimi 30 anni sono stati progettati e realizzati in tutto il mondo numerosi ponti a conci prefabbricati ed è nata, così, l’esigenza di approfondire le conoscenze sul comportamento di questo tipo di strutture tanto che nel novembre 2004 si è tenuto a Nuova Delhi, in India, il congresso Fib "Segmental Construction in Concrete" esclusivamente su strutture costruite a conci. Gli studi avviati riguardano, sostanzialmente, lo studio del comportamento di strutture monolitiche [1] e di strutture a conci precompresse con cavi non aderenti [2]. In particolare per le prime si studia principalmente il comportamento a rottura ovvero si ricerca una formulazione analitica in grado di valutare opportunamente la tensione del cavo a rottura; al riguardo esistono in letteratura molti risultati sperimentali e numerose sono le formulazioni che sono state suggerite nel corso degli anni [1]. Per le strutture a conci prefabbricati precompresse con cavi non aderenti si approfondiscono sia gli aspetti legati alle tecniche di messa in opera sia gli studi sul comportamento ultimo. Dal punto di vista analitico in letteratura sono disponibili pochi risultati sperimentali e modellazioni numeriche ed analitiche [2]. La presente tesi di dottorato si inserisce in questo filone di studi ed intende affrontare il problema della modellazione di strutture precompresse con cavi non aderenti. In particolare nel Capitolo 2 vengono presentati 2 modelli analitici monodimensionali (di tipo trave) sviluppati per strutture precompresse con cavi non aderenti. Il primo è un modello analitico semplificato in grado di valutare direttamente il momento ed il carico ultimo della struttura; il secondo è un modello non lineare più "sofisticato" e complesso in grado di analizzare, con opportune ipotesi sul comportamento delle sezioni, la risposta della struttura ricostruendo, attraverso la curva carico – spostamento, il processo di carico e valutando la deformazione e la tensione nel cavo anche nella fase di rottura. Nel Capitolo 4 viene invece descritto il modello analitico non lineare sviluppato per strutture a conci, con giunti a secco e precompresse a cavi non aderenti. Anche in questo caso si tratta di un modello di tipo trave in grado di valutare correttamente il comportamento globale della struttura, la deformazione e la tensione nel cavo, oltre alle aperture dei giunti. Uno dei problemi più importanti che si è dovuto affrontare è stato quello di riuscire a valutare opportunamente la curvatura media di concio. Si è pertanto effettuato uno studio preliminare dal quale si è dedotta la formulazione della curvatura media di concio adottata, poi, nel modello analitico. Nell’ottica di validare i modelli analitici sviluppati, sono stati eseguiti numerosi confronti. In particolare nel Capitolo 3 i modelli analitici presentati nel Capitolo 2 vengono applicati ad alcune travi di cui sono disponibili in letteratura i risultati sperimentali. Vengono, così, effettuati confronti tra i risultati dei modelli analitici ed i risultati delle prove sperimentali, delle modellazioni effettuate con Atena e delle applicazioni delle altre formulazioni analitiche disponibili. Nella seconda parte del Capitolo 4 vengono presentati i confronti effettuati per validare il modello analitico non lineare per le strutture a conci. In particolare vengono illustrati i confronti con le modellazioni effettuate con il programma agli elementi finiti Atena sia per un generico livello di carico, sia nella fase di rottura [3]. Questa tesi mostrerà l’efficacia del modello analitico semplificato sviluppato che rappresenta uno strumento immediato per la valutare il momento ultimo di una trave precompressa con cavi non aderenti senza effettuare un calcolo non lineare; si dimostrerà che tale modello permette di cogliere facilmente l’ordine di grandezza del momento ultimo e della tensione nel cavo a rottura; inoltre, nell’ambito del confronto tra cavi aderenti e cavi non aderenti si evidenzierà che il rapporto η tra il momento ultimo dei cavi non aderenti ed il momento ultimo dei cavi aderenti varia tra 0.75 e 1 ovvero l’adozione dei cavi non aderenti comporta al massimo una riduzione di capacità ultima di circa il 25%. Si mostrerà, infine, che il modello trave non lineare risulta essere un modello sufficientemente preciso, ovviamente più complesso rispetto al modello semplificato, in grado di descrivere correttamente il comportamento globale della struttura riuscendo a cogliere opportunamente anche la deformabilità come nel caso di strutture a conci precompresse con cavi non aderenti.