Cedimento di travi prefabbricate in calcestruzzo precompresso con grandi campate

Una flessione o una eccessiva deformazione attorno all'asse debole di una trave prefabbricata snella e precompressa o addirittura il crollo di un ponte a travi prefabbricate in calcestruzzo precompresso in un cantiere durante la fase di sollevamento non è una disgrazia rara. Ma succede davvero ancora oggi, con tutti i codici di sicurezza, le linee guida e l'esperienza ingegneristica precedente? Sì, è così. Come mai? Qual è il problema?

Instabilità laterale di travi precompresse lunghe

Le travi o travi prefabbricate in calcestruzzo sono utilizzate in un'ampia varietà di progetti, tipicamente capannoni industriali, ipermercati, magazzini o ponti a trave in calcestruzzo precompresso. Diversi progressi tecnologici, come i materiali utilizzati, le forme più efficienti delle sezioni trasversali e i trefoli di precompressione più grandi, consentono di raggiungere campate maggiori. A causa dell'aumento della luce, aumenta anche il peso totale di queste travi, rendendo talvolta le fasi di trasporto e movimentazione i casi di carico critici nella progettazione strutturale, come illustrato nella figura [3].

La strategia comune per superare questo problema è quella di minimizzare il peso proprio delle travi riducendo la larghezza delle flange. Tuttavia, questo riduce anche la rigidezza sugli assi deboli e la rigidezza torsionale dell'elemento, amplificando il rischio di instabilità laterale. [1]

Gli incidenti e i danni riportati a causa dell'instabilità laterale sono generalmente associati a eccentricità che attivano effetti del secondo ordine durante le situazioni di carico transitorio (sollevamento, trasporto e appoggio su cuscinetti). Le fonti tipiche di queste eccentricità sono le tolleranze di fabbricazione, le variazioni nel posizionamento laterale dei trefoli, la fessurazione locale, lo scorrimento e il ritiro e il riscaldamento solare su un lato, che causa l'inarcamento della trave. Poiché si presume che le travi in calcestruzzo precompresso abbiano un margine sufficiente di rigidezza sugli assi deboli, tradizionalmente si è prestata poca attenzione al fenomeno. [1]

Incidenti di travi lunghe prefabbricate in calcestruzzo precompresso

Il ponte Dehtiarivskyi di Kiev, costruito nel 1965 e chiuso per ristrutturazione il 13 giugno 2023, è crollato [2]. A quanto pare, dopo che erano già state montate sei travi, gli operai hanno iniziato a installare la settima; la trave ha perso la sua stabilità, spingendo il resto delle travi, e tutto è crollato. Fortunatamente non ci sono state vittime, ma ovviamente i danni economici sono stati enormi.

Un altro esempio è il cedimento durante la fase di sollevamento. Una trave prefabbricata in calcestruzzo precompresso lunga 45,6 m con sezione trasversale costante a forma di I, altezza di 2 m e larghezza della flangia superiore di 1,2 m. Immaginate questo: una forma deformata dopo la prima operazione di sollevamento e un drastico aumento dello spostamento laterale fino a 300 mm (L/150). La trave è stata nuovamente collocata a terra per valutare eventuali danni. Dopo l'ispezione, sono state osservate fessure verticali sulla flangia superiore sinistra. Le fessure avevano un'ampiezza superiore a 0,4 mm e avrebbero dovuto essere riparate per soddisfare i requisiti di durabilità, se l'elemento doveva essere accettato definitivamente.

È stato quindi eseguito un secondo tentativo di sollevamento. Tuttavia, ha mostrato uno sweep laterale superiore a L/400, il che significa che questa trave non era in grado di recuperare la sua forma originale. Ciò è stato probabilmente causato dalla deformazione plastica che si è verificata durante le operazioni di sollevamento. Pertanto, questa trave è stata scartata e una nuova trave è stata prodotta e trasportata in cantiere. [1]

Progetto di trave prefabbricata snella e sicura in calcestruzzo precompresso

Come possiamo prevenire incidenti e danni di questo tipo? Smettiamo di progettare travi lunghe in calcestruzzo precompresso? Certo che no, sarebbe un passo indietro e un vero peccato (l'autore è un grande fan del calcestruzzo precompresso)! Per un ingegnere strutturale, non è un compito facile fornire un progetto sicuro ed economico in pochi minuti.

E in questo caso, temo che carta e penna non siano sufficienti. Nella mia recente attività di ingegnere, ho sempre desiderato che esistesse un software in grado di aiutarmi nei complessi calcoli relativi all'instabilità torsionale laterale (LTB) delle travi snelle precompresse. Naturalmente, non volevo passare la mia giovinezza a inserire valori di input e a interpretare i risultati in programmi a metà strada.

La soluzione per l'instabilità torsionale laterale

Buone notizie, c'è IDEA StatiCa che offre un'analisi complessa per l'instabilità torsionale laterale (LTB) di lunghe travi prefabbricate in calcestruzzo precompresso. Tutto questo è disponibile in uno strumento facile da usare, con risultati chiari e che genera automaticamente relazioni. Basta seguire il tipico flusso di lavoro di IDEA StatiCa Beam:

• Geometria: sezione trasversale, informazioni sulla campata, tendini di precompressione, storia della fase di costruzione sono già definiti nell'applicazione Beam per l'analisi e la progettazione globale. Tutti i dati vengono presi in considerazione automaticamente.
• Scheda Stabilità laterale: definire i dati di input dettagliati relativi al sollevamento, al trasporto e ad altre fasi di costruzione, come l'imperfezione iniziale, i dettagli dell'imbracatura, i tipi di supporto finale, ecc. Tutti questi dati hanno un impatto sull'analisi LTB.
• Eseguire l'analisi LTB: cioè l'analisi non lineare materiale e geometrica con le imperfezioni iniziali. Il metodo avanzato che sta dietro, non metodi o formule semplificate.
• Risultati: i risultati dell'analisi LTB sono le reazioni, le forze interne e la deflessione.
• Verifica LTB: finora è disponibile l'inserimento manuale nell'app RCS. Dopo l'esecuzione dell'analisi LTB, andare ai risultati dettagliati (app RCS) e salvare come nuovo file, inserire le forze interne aggiuntive dovute all'instabilità per governare la combinazione ultima e di servizio ed eseguire tutte le verifiche.
  Nota: l'inserimento automatico dei risultati LTB nelle combinazioni di verifica sarà sviluppato a breve .
• Rapporti: Genera rapporti accurati con controlli automatici del codice e output personalizzabili, risparmiando tempo e riducendo il rischio di errori.

Ulteriori dettagli tecnici sull'analisi e sui controlli LTB sono disponibili qui.

Conclusione

Garantite la sicurezza delle travi in ogni fase della produzione e della costruzione con i controlli di stabilità LTB integrati, che coprono tutte le condizioni, dallo stoccaggio, al trasporto, al sollevamento. Smetti di preoccuparti o addirittura di evitare di progettare travi prefabbricate snelle in calcestruzzo precompresso perché rischiano di perdere la loro stabilità laterale. Oggi puoi stare tranquillo avendo IDEA StatiCa al tuo fianco!

Fonti

[1] A. de la Fuente, J.M. Bairán, S.H.P. Cavalaro, Case Study of Failure of Long Prestressed Precast Concrete Girder During Lifting, Engineering Failure Analysis, Volume 100, 2019, Pages 512-519, ISSN 1350-6307, https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.02.061,(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350630717302236)

[2] Disponibile online https://english.nv.ua/nation/photos-of-collapsed-kyiv-s-dehtiarivskyi-bridge-50357382.html

[3] Disponibile online https://www.prefa-praha.cz/tycove_prvky/