Advanced structural analyses of cable supported bridges

Abstract

I ponti di grande luce sono strutture complesse che presentano un utilizzo ottimale dei materiali strutturali, caratteristiche estetiche e costruttive efficienti e bassi costi di manutenzione. A causa delle loro grandi dimensioni e delle diverse caratteristiche degli elementi strutturali, che sono essenzialmente la trave di irrigidimento, i piloni e il sistema dei cavi, i ponti di grande luce presentano diversi problemi che devono essere analizzati. Uno riguarda la definizione della configurazione iniziale della struttura. I ponti di grande luce, infatti, specialmente per lunghezze elevate, presentano un gran numero di cavi, che determinano strutture altamente iperstatiche. Come risultato, le forze di pretensione e le dimensioni delle sezioni trasversali dei cavi possono essere considerati come variabili di progetto che devono essere determinati. Un altro riguarda la valutazione della vulnerabilità strutturale nei riguardi di condizioni di carico estreme come il transito di carichi mobili o gli effetti prodotti da meccanismi di danneggiamento del sistema dei cavi, come la corrosione, che riducono fortemente l'integrità strutturale. Tali fenomeni producono significativi effetti di amplificazione dinamica in termini variabili tensionali e di spostamento. Tuttavia, gli effetti prodotti dall'azione dei carichi mobili o da meccanismi di danno non sono indipendenti. L’effetto della corrosione rende la struttura più sensibile all'azione di carichi mobili. D'altra parte, le vibrazioni indotte dal transito dei veicoli possono causare il deterioramento dei cavi per fatica o abrasione. Per queste ragioni, i problemi dei carichi mobili e dei meccanismi di danno dovrebbero essere studiati congiuntamente. L'ultimo è relativo agli effetti delle nonlinearità geometriche e dei materiali sul comportamento strutturale dei ponti. Le nonlinearità geometriche e dei materiali, infatti, influenzano la risposta dei ponti di grande luce e, di conseguenza, anche la massima capacità portante. Le nonlinearità dei materiali derivano dal legame sforzo-deformazione dei materiali, mentre le nonlinearità geometriche sono dovute all’effetto “sag” dei cavi, ai grandi spostamenti e ai fenomeni di interazione sforzo assiale-momento flettente che insorgono nella trave di irrigidimento e nei piloni (effetto beam-column). Obiettivo della presente tesi di dottorato è quello di sviluppare modelli strutturali avanzati per l’analisi delle problematiche dei ponti di grande luce precedentemente descritte. A tal fine, è si è fatto ricorso alla metodologia degli elementi finiti per riprodurre il comportamento strutturale dei principali ponti di grande luce. In particolare, è stata adottata una formulazione di tipo nonlineare geometrico, che ben si presta a riprodurre gli effetti delle vibrazioni locali dei cavi e i grandi spostamenti a cui sono soggetti la trave d’irrigidimento e i piloni. Per quanto riguarda la definizione della configurazione geometrica iniziale, viene elaborata una metodologia di progettazione per l’ottimizzazione delle forze di pretensione e per il dimensionamento delle sezioni trasversali dei cavi. La metodologia è data dalla combinazione del modello strutturale agli elementi finiti descritto in precedenza con una procedura di ottimizzazione iterativa. Tale procedura iterativa è utilizzata per ottimizzare la distribuzione delle forze di pretensione e le dimensioni delle sezioni trasversali al fine di minimizzare la quantità di acciaio e massimizzare le performance strutturali sotto l’azione di carichi di natura accidentale. In tale ambito, sono stati elaborati dei risultati per validare la metodologia proposta per mezzo di confronti con formulazioni presenti in letteratura. Inoltre, sono stati sviluppati risultati parametrici con riferimento a ponti di conformazione più complessa per verificare le regole di dimensionamento e per confrontare i ponti a configurazione mista sospesa strallata con le convenzionali configurazioni sospese e strallate. Inoltre, dettagliati risultati sono proposti con riferimento al caso dei ponti misti auto-ancorati sospesi strallati. Al fine di analizzare il comportamento strutturale di ponti di grande luce in presenza di meccanismi di danneggiamento del sistema dei cavi, sotto l’azione di carichi viaggianti, al modello agli elementi finiti sono aggiunte ulteriori formulazioni. In particolare, sono presi in considerazione gli effetti di accoppiamento flesso-torsionale della struttura da ponte e quelli associati ai contributi di carico e di massa derivanti dal sistema mobile. Inoltre, gli effetti di fenomeni di danneggiamento di elementi del sistema dei cavi, prodotti da preesistenti fenomeni di corrosione o rotture improvvise, vengono analizzati per mezzo di leggi esplicite in funzione del tempo, sviluppate nell’ambito della teoria della meccanica del danneggiamento. Inizialmente, le analisi hanno focalizzato l'attenzione sul comportamento dinamico di ponti strallati in presenza di rottura improvvisa di elementi costituenti il sistema dei cavi. In tale contesto sono proposti dei risultati ricavati da analisi sensitive delle variabili dei ponti di grande luce. In particolare, l’influenza dalle caratteristiche dei carichi mobili, delle tipologia dei piloni e dello scenario di danneggiamento sono studiati per mezzo di confronti tra configurazioni del ponte danneggiate e non danneggiate. Successivamente, viene analizzato il comportamento dei ponti misti strallati sospesi. E’ sviluppato uno studio parametrico sulla base di quattro scenari di danneggiamento che prevedono il danneggiamento degli stralli, dei pendini e del cavo principale. In particolare, al fine di evidenziare i vantaggi presentati dalla configurazione mista, vengono proposi dei risultati sotto forma di confronto con sistemi puri strallati e sospesi. I risultati sono espressi in termini di fattori di amplificazione dinamica delle tipiche variabili cinematiche e tensionali di progetto. Il problema della influenza sulla capacità massima di carico delle nonlinearità geometriche e del materiale è presentato con riferimento allo schema di sospensione strallato-sospeso auto-ancorato. Il comportamento non lineare del materiale della trave di irrigidimento e dei piloni è rappresentato da una raffinata formulazione agli elementi finiti che combina la teoria alla base del modulo tangente con un modello di cerniera plastica, mentre per i cavi viene adottata la teoria della plasticità per deformazioni finite. Nel quadro della non linearità geometrica, dal momento che il modello strutturale di base agli elementi finiti riproduce i grandi spostamenti e l’effetto "sag" dei cavi, che viene riprodotto per mezzo di un approccio multi truss element, sono agiunti ulteriori contributi per riprodurre l’effetto di interazione sforzo normalemomento flettente presente nelle pile e nella trave di irrigidimento. L'analisi si basa su un’analisi nonlineare al passo. Poiché il comportamento strutturale del ponte è fortemente influenzato dalle distribuzioni delle forze di pretensione del sistema dei cavi, come primo step viene determinata la configurazione geometrica iniziale del ponte sotto l'azione di carichi permanenti. I risultati sono finalizzati ad analizzare l'influenza sulla massima capacità di carico del comportamento nonlineare del materiale nonché dei parametri geometrici e strutturali.