ITMI960426A1 - Metodo per la realizzazione di una trave composita e trave cosi' realizzata - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale

La presente invenzione si riferisce ad un metodo per la realizzazione di una trave composita e trave così realizzata.

Soprattutto nel campo delle costruzioni per opere pubbliche (come ad esempio i ponti, i viadotti, le coperture di grandi spazi per attività sociali, ecc.) esiste sempre vivo lo sforzo ingegneristico di ottenere strutture atte a superare ampie distanze prive di appoggi intermedi, mantenendo modesto l'ingombro della struttura e senza sacrifici prestazionali o di costo.

Una trave molto snella è di aspetto gradevole e consente od una migliore utilizzazione dei volumi oppure un risparmio in opere di connessione (i viadotti di uno svincolo se sono sottili consentono un minor sviluppo delle rampe stradali di raccordo, i ponti ferroviari se sono sottili consentono un abbassamento di tutta la linea con riduzione dei volumi di rilevato) od anche un minor impatto ambientale .

L'attuale stato dell'arte presenta dei limiti tecnici e di costo.

Ad esempio, per dimostrare ciò, è sufficiente osservare che in una trave che deve resistere a flessione i materiali commerciali più idonei a resistere alla trazione od agli sforzi taglianti sono l'acciaio e soprattutto l'acciaio ad alto limite elastico di cui sono fatti i cavi. Tuttavia entrambi i materiali, pur essendo leggeri ed assai resistenti, presentano una eccessiva deformabilità, inaccettabile quando i carichi sono molto variabili nel tempo.

In tal caso essi non possono essere utilizzati appieno anche perché occorre contenere i fenomeni di fatica.

Ulteriori problematiche possono essere ritrovate nelle ormai classiche travi in calcestruzzo precompresso .

Infatti occorre osservare che l'applicazione della precompressione a travi interamente in calcestruzzo presuppone nella sezione in calcestruzzo una storia tensionale che pone dei grossi limiti alla possibilità di avere contemporaneamente travi leggere, snelle ed il cui calcestruzzo non sia stato martirizzato in eccesso durante le fasi di produzione e trasporto.

I citati problemi determinano in ogni caso una ricerca per la creazioni di soluzioni tecniche alternative alle pur sempre in generale valide soluzioni tecniche costruttive sino ad oggi utilizzate.

Ulteriori problematiche sono correlate al rispetto delle condizioni ambientali, in particolare nella realizzazioni di ponti e viadotti, in cui le strutture sinora note, date le rilevanti dimensioni ed i servizi ausiliari connessi alla loro realizzazione, determinano una negativa influenza sull'intero ambiente ed alle volte non possono essere realizzate, non superando i vincoli ambientali imposti dalle autorità competenti.

Conseguentemente è uno scopo della presente invenzione quello di realizzare una struttura di trave che unisca le caratteristiche favorevoli delle soluzioni note, eliminando per quanto più possibile i problemi tecnici e gli inconvenienti ad esse collegate e da esse naturalmente sinora derivanti.

Ulteriore scopo è quello di realizzare una struttura di trave che superi tutte le limitazioni d'uso e di resistenza delle travi utilizzate nelle strutture sinora note.

Altro scopo è quello di creare una struttura che sia in grado di superare i vincoli ambientali, e invadendo il territorio nel modo più discreto e meno apparente possibile, non determini una turbativa per lo stesso.

Questi scopi secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando un metodo come dalle rivendicazioni allegate.

Vantaggiosamente anche si realizza una trave composita, in cui la soletta inferiore della trave è realizzata in calcestruzzo ad alte prestazioni.

Secondo l'invenzione associando in modo collaborante la soletta o flangia in calcestruzzo ad alte prestazioni che funge da collante fra cavi e trave in acciaio e sottoponendola ad idonea coazione in corso di fabbricazione, si ottiene lo scopo di irrigidire la trave in modo da avere contemporaneamente la rigidezza flessionale necessaria ed il massimo utilizzo dell'acciaio non più soggetto ovviamente ai fenomeni di fatica.

In effetti l'impiego dell'acciaio per la costruzione di parte della trave, oltre a consentire una maggiore leggerezza dell'insieme, introduce nelle leggi che regolano la progettazione della sezione della trave la possibilità di variare il materiale oltre a quella di variare la geometria. Ciò risulta vantaggiosamente esaltato dall'uso di calcestruzzo ad alte prestazioni, le cui caratteristiche di resistenza e compressione sono simili più all'acciaio che al calcestruzzo convenzionale.

Le caratteristiche ed i vantaggi di una trave composita e del suo metodo di costruzione realizzati secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

la figura 1 è una sezione trasversale di una trave composita realizzata secondo la presente invenzione,

la figura 2 è un grafico che illustra il comportamento di una trave nota non sottoposta a coazione (linea a tratto e punto) e di una trave sottoposta a coazione secondo la presente invenzione (linea intera) ,

la figura 3 è una vista in alzata longitudinale di una trave in acciaio con premonta e dotata di connettori in una prima fase del metodo della presente invenzione,

la figura 4 è una vista in alzata longitudinale della trave di figura 3, quando sottoposta ad imposizione di forze con vincoli ausiliari e con cavi in posizione tesati su vincoli esterno e la figura 4a è un diagramma dei momenti impressi alla trave,

la figura 5 mostra l'alzata longitudinale della trave di figura 4 sulla quale è stata realizzata la flangia inferiore in calcestruzzo,

la figura 6 illustra la trave di figura 5 a cui sono stati tolti i vincoli esterni di tesatura dei cavi, le forze ed i vincoli ausiliari e la figura 6a è un diagramma delle tensioni impresse al lembo inferiore di tale trave,

la figura 7 illustra ulteriormente la trave di figura 6 a cui viene applicata la flangia in calcestruzzo superiore e la figura 7a è un diagramma delle tensioni al lembo inferiore di tale trave, la figura 8 illustra una ulteriore fase in cui il calcestruzzo della flangia superiore è indurito ed avviene la costruzione delle sovrastrutture e la figura 8a è un diagramma delle tensioni al lembo inferiore di tale trave,

la figura 9 mostra la applicazione di carichi mobili sulla trave dell'invenzione finita e la figura 9a è un diagramma delle tensioni al lembo inferiore di tale trave.

Con riferimento alla figura 1, una trave composita realizzata secondo l'invenzione, complessivamente indicata con 11, presenta una sezione a T e comprende una trave in acciaio 12 a forma di I con anima disposta verticale.

Associate alla trave in acciaio 12 sono poste due flange o solette 13 e 14, l'una inferiore 13 e l'altra superiore 14 fissate mediante connettori in acciaio 15. Le solette 13 e 14 vengono realizzate in calcestruzzo e quella inferiore 13 è costituita da calcestruzzo ad alte prestazioni. Il calcestruzzo ad alte prestazioni è caratterizzato da una grande resistenza a compressione associata ad un alto modulo elastico costante nel tempo.

In particolare per calcestruzzo ad alte prestazioni si intende un calcestruzzo ad alta od altissima resistenza avente una resistenza a compressione compresa tra 70 Mpa e 200 Mpa, preferibilmente 100 MPa, ed un modulo elastico compreso tra 30 GPa e 60 GPa, preferibilmente 40 GPa.

Per ottenere tali calcestruzzi si possono utilizzare cementi di classe almeno 42,5 secondo la norma europea ENW 197.1, aggregati selezionati di elevate caratteristiche fisico-meccaniche, per esempio granito, calcare, quarzo e/o basalto, superfluidificanti ad elevato effetto disperdente, al fine di ottenere rapporti acqua/cemento inferiori a 0,45, preferibilmente inferiori a 0,30, più preferibilmente inferiori a 0,25.

E' inoltre possibile l'utilizzo di fumi di silice avente una dimensione media delle particelle di circa 0,2 micron ed una superficie specifica di circa 18 m<z>/g. Può poi essere consigliabile l'utilizzo di fibre metalliche e/o polimeriche per ottenere calcestruzzi ad alte prestazioni che possiedano elevate caratteristiche di duttilità e resistenza alla flessione/trazione. Con l'utilizzo di calcestruzzo ad alte prestazioni viene migliorata la durabilità del materiale.

All'interno della soletta inferiore 13 vengono poi introdotti una pluralità od un fascio di cavi di precompressione 16, posti nell'esempio su due file sovrapposte, collocate inferiormente ad una piattabanda di base 12a. Questi cavi 16 realizzano la coazione di tipo assiale eccentrica, una volta rimossi i vincoli esterni di tesatura, poiché aderenti al calcestruzzo che li circonda. In una forma alternativa, i cavi possono essere alloggiati in cavidotti e tesati a maturazione avvenuta del calcestruzzo .

Usualmente la soletta inferiore 13 è realizzata in officina di prefabbricazione, mentre la soletta superiore 14 può essere realizzata alternativamente anche in opera, oltre che in officina, a secondo delle necessità insite nella struttura da ottenere.

Una trave costituita da questi materiali è destinata a resistere ad azioni flessionali sul piano verticale mediano tali da tendere le fibre inferiori.

Le caratteristiche specifiche dei materiali impiegati non consentirebbero però un corretto funzionamento della trave sottoposta ai carichi di esercizio se i materiali non fossero posti in opera sottoponendoli secondo la presente invenzione a coazione in modo da ottenere che le alte caratteristiche meccaniche iniziali (a basso livello di sollecitazione) siano mantenute anche a livello delle sollecitazioni dovute ai carichi di esercizio, come risulta dal grafico di figura 2. In esso viene illustrato il comportamento di una trave nota non sottoposta a coazione (linea a tratto e punto) e di una trave sottoposta a coazione secondo la presente invenzione (linea intera).

Come in precedenza anticipato, le coazioni possono essere indotte in parte in officina di produzione e in parte all'atto del montaggio.

La disponibilità pratica del calcestruzzo ad alte prestazioni consente di associare due tipi di coazione e cioè:

1. la coazione di tipo flessionale ottenuta inflettendo la trave in acciaio 12 in modo da tendere le fibre inferiori e congelando questo stato con la realizzazione della soletta inferiore 13 in calcestruzzo ad alte prestazioni. L'alto valore del modulo elastico di questo, e la sua costanza nel tempo consente di ottenere il mantenimento dello stato di coazione così ottenuto ad alto livello e senza fenomeni significativi di fluage.

2. La coazione di tipo assiale, ottenuta tendendo i cavi d'acciaio 16 prima della realizzazione della soletta 13 in modo che al momento dell'allentamento il complesso della trave risulti presso inflesso, cioè sollecitato in modo inverso rispetto alle sollecitazioni d'uso. La caratteristica di alta resistenza alla compressione del calcestruzzo ad alte prestazioni è quella che consente di associare alla coazione flessionale la coazione assiale ottenendo in questo modo un grande aumento delle prestazioni di resistenza ultima senza incrementare la quantità di acciaio della trave 12. Essendo poi possibile pesare l'entità e la distribuzione della coazione flessionale in rapporto alla coazione assiale, risulta possibile ottenere che in esercizio lo stato di compressione della soletta 13 sia pressoché costante in tutta la lunghezza della trave. Ciò consente di mantenere aderenti i cavi di pretensione 16 su tutto lo sviluppo con vantaggio per la compattezza e la durabilità del prodotto. La presenza della trave in acciaio 12, elettricamente collegata ai cavi 16, fa sì che gli stessi siano protetti da fenomeni di corrosione galvanica. Lo stato di tensione di trazione impressa ad una piattabanda o flangia superiore in acciaio 12b consente alla trave di essere posta in opera per il getto della soletta superiore in calcestruzzo 14 senza problemi né tensionali né di stabilità elastica.

Una trave composita secondo la presente invenzione viene realizzata con un metodo schematizzabile come segue. Infatti la successione delle operazioni necessaria per imprimere le coazioni e quindi produrre la trave composita sono individuabili e rappresentabili come risulta dalle figure 3-9, ad alcune delle quali sono associati i relativi grafici delle sollecitazioni.

In una prima fase del metodo viene selezionata una trave di acciaio 12 e sulle due piattabande 12b e 12a della stessa trave in acciaio vengono fissati una serie di elementi connettori in acciaio 15. Inoltre la trave viene costruita con premonta.

In una seconda fase vengono collocati il fascio di cavi, in una serie o due serie di cavi 16 aderenti, che sono tesati e bloccati tramite vincoli ausiliari esterni 17, provvedendo inoltre alla imposizione di forze F con vincoli ausiliari sul banco di lavorazione. Nella figura 4 si rileva una tale disposizione ed è possibile inoltre osservare il diagramma dei momenti impressi alla trave in acciaio dalle forze F e dalla presenza dei vincoli 12.

Una volta raggiunta tale condizione, avviene la realizzazione della soletta o flangia inferiore 13 tramite opportuno betonaggio del calcestruzzo ed indurimento del calcestruzzo ad alte prestazioni che la costituisce, una volta che ha assunto la forma aggrappandosi agli appositi connettori 15 (figura 5).

E' solo a questo punto che avviene la fase di allentamento dei cavi 16 e di rimozione sia dei vincoli ausiliari 17 che delle forze F, come in figura 6. La trave 11 parzialmente realizzata è a questo punto sottoposta a tensioni come rappresentate nello schema 6a associato alla figura 6.

In questo momento si dimostra l’importanza fondamentale dell'uso di calcestruzzo ad alte prestazioni che è in grado di resistere alle sollecitazioni indotte dalla coazione flessionale contemporaneamente alle sollecitazioni indotte dalla precompressione e in tal modo consente la realizzazione pratica del procedimento. E tutta questa serie di fasi viene realizzata in officina di precompressione .

Le fasi successive, al contrario delle precedenti, possono o essere realizzate in officina di prefabbricazione oppure direttamente in opera, come anticipato in precedenza. Infatti deve essere realizzata la soletta o flangia superiore in calcestruzzo .

Per semplicità di comprensione, qui di seguito si ipotizza, a titolo esemplificativo e non limitativo, la costruzione di un viadotto con soletta superiore in calcestruzzo (normale o ad alte prestazioni) realizzata in opera e collaborante.

Una volta posta la trave realizzata in officina nella sua posizione definitiva, si realizza una ulteriore fase di betonaggio in opera con applicazione del peso proprio e del peso della soletta, schematizzati in qd· (figura 7). Il diagramma delle tensioni appare quindi variare come mostrato in figura 7a.

Effettuata questa prima fase in opera si attende l'indurimento del calcestruzzo 14 e si provvede alla costruzione di sovrastrutture, con applicazione del peso relativo qd» (figura 8). Il diagramma varia come di conseguenza mostrato in figura 8a.

Tramite la applicazione di carichi mobili, indicati con qe, si individua il comportamento finale della trave secondo la presente invenzione.

Come già più volte detto in precedenza, la composizione finale della trave della presente invenzione può essere raggiunta anche in officina, tramite riproduzione dei punti di applicazione.

Si nota che la storia tensionale del calcestruzzo della soletta 13 (ad alte prestazioni) attinge ad alti livelli nelle prime fasi costruttive, ove esplica la funzione di bloccare la deformabilità dell’acciaio dei cavi 16 e delle travi 12, per poi scendere a bassissimi valori nella fase d’uso, con modeste escursioni dovute ai carichi mobili.

Ciò costituisce garanzia del mantenimento nel tempo delle alte qualità iniziali.

Anche le sollecitazioni di connessione fra soletta 13 e trave 12 si riducono grandemente una volta che la trave è finita.

Ciò è conseguente al fatto che il diagramma delle tensioni impresse alla soletta 13 è molto simile al diagramma delle tensioni dovute ai carichi (Curva a tratto e punto).

Una trave di composita quale quella realizzata secondo il metodo della presente invenzione presenta vantaggiose caratteristiche di leggerezza, economicità e durabilità associate ad elevate prestazioni di resistenza, rigidezza e snellezza. In tal modo risultano, come già detto, particolarmente adatte per la costruzione di viadotti ferroviari e stradali stante il loro limitato ingombro in altezza rispetto alle travi dello stato della tecnica in precedenza citate e discusse.

La loro efficienza e funzionalità è inoltre dovuta all'uso del calcestruzzo ad alte prestazioni che è caratterizzato da una grande resistenza a compressione associata ad un alto modulo elastico essenzialmente poco variabile nel tempo. Questo tipo di calcestruzzo infatti ha il compito di irrigidire la trave, riducendo la deformabilità flessionale conseguente ai carichi mobili.

Tutto ciò comporta un forte miglioramento dello stato limite d'uso con riduzione del fenomeno della fatica a cui è sottoposta la trave.

Una ulteriore caratteristica è l'uso del trefolo in acciaio nella flangia o soletta inferiore secondo le fasi metodologiche dell'invenzione. La disposizione dei cavi in acciaio o trefoli risulta ancora più vantaggiosa grazie all'uso ed alla presenza di calcestruzzo ad alte prestazioni che è in grado di essere precompresso non solamente dalla azione flessionale di coazione sviluppata dalla trave in acciaio del nucleo, ma soprattutto dalla pretensione del consistente numero di trefoli in essa disposti.

Si deve inoltre rilevare che la trave in acciaio del nucleo centrale presenta un basso costo, pur possedendo buone caratteristiche. La medesima cosa può ripetersi per i cavi che sono molto economici a parità di forza sviluppata.

Secondo la presente invenzione inoltre si deve sottolineare che la vantaggiosa struttura della trave dell'invenzione viene raggiunta dal pretensionamento dei cavi e dal loro bloccaggio contro il calcestruzzo o per aderenza o con testata di ancoraggio, al consolidamento dello stesso ed al successivo rilascio dei vincoli ausiliari esterni. L'allentamento dei cavi risulta impedito dalla rigidezza della trave in acciaio abbinata alla flangia o soletta dell'intradosso.

Il poter realizzare parte della trave in officina agevola il trasporto della stessa sul luogo di impiego e la sua messa in opera.

Claims (17)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la realizzazione di una trave composita comprendente una trave in acciaio con almeno una anima verticale alla quale viene associata almeno una soletta in calcestruzzo a disposizione longitudinale, essendo previsti connettori in acciaio per detto calcestruzzo, caratterizzato dal fatto di prevedere una prima fase in cui si dispone di detta trave in acciaio dotata di premonta, una seconda fase di disporre almeno una serie di cavi aderenti ad una piattabanda di detta trave in acciaio e di sottoporre detta almeno una serie di cavi a tesatura con contemporanea imposizione di forze e vincoli ausiliari su detta trave in acciaio, una terza fase di betonaggio ed indurimento di calcestruzzo a realizzare una soletta in calcestruzzo ad alte prestazioni che ingloba detta almeno una serie di cavi, ed una quarta fase di rimozione della tesatura esterna dei cavi, delle forze e dei vincoli ausiliari .
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere una ulteriore fase di realizzazione di una seconda soletta.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detta soletta in calcestruzzo ad alte prestazioni è quella inferiore.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di essere realizzato in officina.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto calcestruzzo ad alte prestazioni ha una resistenza a compressione compresa tra 70 MPa e 200 MPa, preferibilmente di 100 MPa, ed un modulo elastico compreso tra 30 GPa e 60 GPa, preferibilmente 40 GPa.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto calcestruzzo ad alte prestazioni utilizza cementi di classe almeno 42,5 secondo la norma europea ENW 197.1.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto calcestruzzo ad alte prestazioni utilizza superfluidificanti ad elevato effetto disperdente, al fine di ottenere rapporti acqua/cemento inferiori a 0,45, preferibilmente inferiori a 0,3, più preferibilmente inferiori a 0,25.
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto calcestruzzo ad alta resistenza utilizza fumi di silice avente una dimensione media delle particelle di circa 0,2 micron ed una superfìcie specifica di circa 18 m<2>/g.
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di realizzare detta seconda soletta in opera.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette forze imposte sono forze atte ad individuare una presso flessione su detta trave di acciaio.
11. 11. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di collegare elettricamente detta trave in acciaio a detta serie di cavi.
12. 12. Trave composita realizzata secondo il metodo delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto di comprendere almeno una trave in acciaio con anima verticale, alla quale è associata almeno una soletta in calcestruzzo a disposizione longitudinale, essendo previsti connettori in acciaio per detto calcestruzzo, detta trave in acciaio essendo dotata di premonta e ad essa essendo posta solidale almeno una serie di cavi aderenti ad una piattabanda della trave che sono sottoposti a tesatura con contemporanea imposizione di forze e vincoli ausiliari su detta trave in acciaio, essendo inoltre prevista una soletta realizzata in calcestruzzo ad alte prestazioni che ingloba detta serie di cavi, una volta che sono rimosse la tesatura esterna dei cavi, le forze ed i vincoli ausiliari.
13. 13. Trave di calcestruzzo composita secondo la rivendicazione 12, caratterizzata dal fatto di prevedere una seconda soletta in calcestruzzo.
14. 14. Trave di calcestruzzo composita secondo la rivendicazione 12, caratterizzata dal fatto che detto calcestruzzo ad alte prestazioni ha una resistenza a compressione compresa tra 70 MPa e 200 MPa, preferibilmente di 100 MPa, ed un modulo elastico compreso tra 30 GPa e 60 GPa, preferibilmente 40 GPa.
15. 15. Trave di calcestruzzo composita secondo la rivendicazione 12, caratterizzata dal fatto che detto calcestruzzo ad alte prestazioni utilizza cementi di classe almeno 42,5 secondo la norma europea ENW 197.1.
16. 16. Trave di calcestruzzo composita secondo la rivendicazione 12, caratterizzata dal fatto che detto calcestruzzo ad alte prestazioni utilizza superiluidificanti ad elevato effetto disperdente, al fine di ottenere rapporti acqua/cemento inferiori a 0,45, preferibilmente inferiori a 0,3, più preferibilmente inferiori a 0,25.
17. 17. Trave di calcestruzzo composita secondo la rivendicazione 12, caratterizzata dal fatto che detto calcestruzzo ad alte prestazioni utilizza fumi di silice avente una dimensione media delle particelle di circa 0,2 micron ed una superficie specifica di circa 18 m<2>/g.