Rottura di travi in calcestruzzo prefabbricato precompresso di grande luce

La flessione o un'eccessiva deflessione attorno all'asse debole di una trave prefabbricata precompressa snella, o addirittura il collasso di un'impalcato da ponte in calcestruzzo prefabbricato precompresso su un cantiere durante la fase di sollevamento, non è una sventura rara. Ma sta davvero accadendo ancora oggi con tutti i codici di sicurezza, le linee guida e la precedente esperienza ingegneristica? Sì, accade. Come mai? Qual è il problema?

Instabilità laterale di travi precompresse di grande luce

Le travi in calcestruzzo prefabbricato, o travi da ponte, sono utilizzate in un'ampia varietà di progetti, tipicamente capannoni industriali, grandi magazzini, depositi o ponti a travi in calcestruzzo prefabbricato precompresso. Diversi progressi tecnologici, come i materiali utilizzati, le forme di sezione trasversale più efficienti e i trefoli di precompressione di maggiori dimensioni, consentono di raggiungere luci più grandi. A causa dell'aumento della luce, il peso totale di tali travi aumenta anch'esso, 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 consiste nel minimizzare il peso proprio delle travi riducendo la larghezza delle ali. Tuttavia, ciò riduce anche la rigidezza rispetto all'asse debole e la rigidezza torsionale dell'elemento, amplificando il rischio di instabilità laterale. [1]

Gli incidenti e i danni riportati dovuti all'instabilità laterale sono solitamente associati a eccentricità che attivano effetti del secondo ordine durante situazioni di carico transitorie (sollevamento, trasporto e appoggio su supporti). Le fonti tipiche di queste eccentricità sono le tolleranze di fabbricazione, le variazioni nel posizionamento laterale dei trefoli, la fessurazione locale, la freccia da viscosità e ritiro, e il riscaldamento solare su un lato, che causano l'imbarcamento della trave. Poiché si presumeva che le travi in calcestruzzo precompresso avessero un margine sufficiente di rigidezza rispetto all'asse debole, al fenomeno è stata tradizionalmente prestata scarsa attenzione. [1]

Incidenti di travi in calcestruzzo prefabbricato precompresso di grande luce

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

Un altro esempio è la rottura durante la fase di sollevamento. Una trave in calcestruzzo prefabbricato precompresso di 45,6 m di lunghezza con sezione trasversale costante a doppio T, altezza di 2 m e larghezza dell'ala superiore di 1,2 m. Si immagini: 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 riposizionata a terra per valutare i possibili danni. Dopo l'ispezione, sono state osservate fessure verticali nell'ala superiore sinistra. Le aperture delle fessure erano superiori a 0,4 mm, che avrebbero dovuto essere riparate per soddisfare i requisiti di durabilità qualora l'elemento fosse stato definitivamente accettato.

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

Progettazione sicura di travi snelle in calcestruzzo prefabbricato precompresso

Come possiamo prevenire tali incidenti e danni? Dobbiamo smettere di progettare travi in calcestruzzo precompresso di grande luce? Certamente no, sarebbe stato un passo indietro e una vera vergogna (l'autore è un grande appassionato di calcestruzzo precompresso)! Per un ingegnere strutturale non è un compito facile fornire una progettazione sicura ed economica in pochi minuti.

E in questo caso, temo che carta e penna non siano sufficienti. Nella mia recente pratica ingegneristica, ho sempre desiderato che esistesse un software in grado di aiutarmi con i calcoli complessi relativi all'instabilità flesso-torsionale (LTB) di travi precompresse snelle. Naturalmente, non volevo trascorrere la mia giovinezza a inserire valori di input e interpretare i risultati in programmi approssimativi.

La soluzione per l'instabilità flesso-torsionale

Buone notizie: è disponibile IDEA StatiCa con analisi complessa per l'instabilità flesso-torsionale (LTB) di travi in calcestruzzo prefabbricato precompresso di grande luce. Tutto ciò è disponibile in un unico strumento che è facile da usare, fornisce risultati chiari e genera automaticamente le relazioni di calcolo. Basta seguire il tipico flusso di lavoro di IDEA StatiCa Beam:

• Geometria: la sezione trasversale, le informazioni sulla luce, i tendini di precompressione e la storia delle fasi costruttive sono già definiti nell'applicazione Beam per l'analisi e la progettazione globale. Tutti i dati vengono automaticamente presi in considerazione.
• Scheda stabilità laterale: definire i dati di input dettagliati relativi al sollevamento, al trasporto e ad altre fasi costruttive, come l'imperfezione iniziale, i dettagli delle funi di sollevamento, i tipi di appoggio finale, ecc.  Tutti questi elementi influenzano l'analisi LTB.
• Esegui analisi LTB: ovvero analisi non lineare materialmente e geometricamente con imperfezioni iniziali. Il metodo avanzato alla base, non metodi o formule semplificate.
• Risultati: i risultati dell'analisi LTB sono reazioni, forze interne e deflessioni.
• Verifica LTB: al momento è disponibile l'inserimento manuale nell'applicazione RCS. Dopo aver eseguito l'analisi LTB, accedere ai risultati dettagliati (applicazione RCS) e salvare come nuovo file, inserire le forze interne aggiuntive dovute all'instabilità nelle combinazioni ultime e di esercizio determinanti ed eseguire tutte le verifiche.
  Nota: L'inserimento automatico dei risultati LTB nelle combinazioni di verifica sarà sviluppato a breve. 
• Relazione: Genera relazioni accurate con verifiche normative automatizzate e output personalizzabili, risparmiando tempo e riducendo il rischio di errori. 

Trova ulteriori dettagli tecnici sull'analisi LTB e le verifiche qui.

Conclusione

Garantisci la sicurezza delle travi in ogni fase di produzione e costruzione con verifiche integrate di stabilità LTB, coprendo tutte le condizioni dallo stoccaggio, attraverso il trasporto fino al sollevamento. Smetti di preoccuparti o addirittura di evitare la progettazione di travi snelle in calcestruzzo prefabbricato precompresso perché sono a rischio di perdere la loro stabilità laterale. Oggi puoi essere sicuro 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/