Progettazione e principali tecnologie costruttive dell'acciaio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6626 (2023) Citare questo articolo

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Questo articolo presenta un nuovo tipo di pilone composito acciaio-cemento che è stato applicato al quinto ponte sul fiume Yangtze di Nanchino (un ponte strallato a tre piloni con una campata principale di 600 m). Per questo nuovo tipo di pilone, i gusci in acciaio sono collegati al calcestruzzo tramite connettori a taglio e perni PBL, mentre i gusci interni in acciaio sono collegati con i gusci esterni in acciaio tramite acciai angolari. L'analisi numerica e i test sul modello in scala reale mostrano che la struttura del pilone presenta eccellenti proprietà meccaniche e prestazioni costruttive. L'applicazione della tecnologia BIM, la ricerca e lo sviluppo di speciali spreader e piattaforme di costruzione garantiscono la precisa installazione delle strutture. L'assemblaggio modulare altamente realizzato in fabbrica della struttura a guscio in acciaio rinforzato può ridurre efficacemente l'intensità e la difficoltà delle operazioni in loco e migliorare la qualità del progetto, con bassi rischi di costruzione. Considerando che, l'applicazione di successo di questo pilone composito sandwich acciaio-calcestruzzo-acciaio segna la formazione di un set completo di tecnologia di costruzione del pilone composito sandwich acciaio-calcestruzzo-acciaio, che può essere ampiamente utilizzato in ponti simili.

I piloni sono i componenti portanti critici dei ponti supportati da cavi responsabili della trasmissione dei carichi dai cavi alla fondazione del ponte. La stabilità dei ponti dipende quindi dalla stabilità e dalla rigidità dei piloni. La ricerca e lo sviluppo di una struttura a pilone con proprietà meccaniche migliorate, prefabbricazione industriale, montaggio più rapido e qualità affidabile sono fondamentali per l'ingegneria dei ponti.

Tradizionalmente i piloni dei ponti supportati da cavi sono realizzati utilizzando piloni con struttura in acciaio o piloni con struttura in calcestruzzo1. Sebbene i piloni con struttura in acciaio presentino i vantaggi della prefabbricazione in fabbrica e delle costruzioni modulari, la sua applicazione è molto inferiore a quella dei piloni in cemento a causa del costo elevato. A causa degli elevati requisiti di rigidità del pilone, i piloni devono avere un'area di sezione trasversale maggiore e quindi viene utilizzata più acciaio, con un conseguente costo di costruzione di circa tre volte quello di un pilone di cemento. Il pilone in cemento presenta i vantaggi di elevata rigidità, buona stabilità e costi di costruzione inferiori. Tuttavia, il suo metodo di costruzione prevede una serie di fasi complicate, ovvero l'installazione dello scheletro rigido, il fissaggio delle armature, l'installazione e la regolazione della cassaforma e il getto di calcestruzzo. Le operazioni di costruzione si basano principalmente sul lavoro manuale con bassa standardizzazione e prefabbricazione, che si traduce in lunghi periodi di costruzione, elevata intensità operativa del sito, alto rischio e cicli estesi di occupazione delle attrezzature.

I piloni compositi acciaio-cemento presentano molti vantaggi rispetto ai piloni in acciaio e cemento. La struttura in acciaio può far risparmiare molto tempo grazie alla prefabbricazione in fabbrica e all'installazione modulare. Allo stesso tempo può essere utilizzato anche come dima per il getto di calcestruzzo. La struttura in acciaio vincola il calcestruzzo, migliorandone ulteriormente la capacità portante. La combinazione di acciaio e calcestruzzo eredita anche i vantaggi dell'elevata rigidità del pilone di cemento.

I tralicci compositi acciaio-cemento sono utilizzati principalmente in tralicci con forme geometriche complesse. Ad esempio, a causa della complessa geometria del ponte strallato Alamillo, il progetto originale del pilone in cemento armato è stato modificato in una struttura composita per ridurre i tempi di costruzione. Pertanto, un involucro metallico esterno collegato al cemento ha sostituito molte barre di acciaio, la cui installazione avrebbe richiesto molto più tempo2. L'azione composita è ottenuta mediante connettori a perno saldati direttamente nelle piastre principali di acciaio che formano l'involucro esterno e gli irrigidimenti orizzontali delle piastre principali che sono stati presi in considerazione anche nella trasmissione della forza di taglio tra l'acciaio e il calcestruzzo. Hsu et al. hanno studiato il comportamento osservato delle colonne scatolari sandwich costituite da tubi di acciaio a doppia parete sottile con calcestruzzo tra di loro soggetti a flessione combinata e carico assiale. I risultati mostrano che le ottime prestazioni degli elementi sandwich sono superiori a quelle dei corrispondenti elementi tubolari riempiti di cemento. Il miglioramento della resistenza ha raggiunto fino al 45% per i profilati sandwich con tubi esterni non compatti3. La colonna del pilone superiore dello Stonecutters Bridge adotta una struttura composita acciaio-cemento. La struttura in acciaio è realizzata in acciaio inossidabile e per collegare l'acciaio e il calcestruzzo6 vengono utilizzati solo perni saldati. Tao et al. ha studiato la resistenza e la rigidità delle colonne troncoconiche tubolari in acciaio riempite di calcestruzzo con irrigidimenti longitudinali saldati interni o esterni sotto compressione assiale4. Xie et al. ha studiato una forma innovativa di costruzione sandwich acciaio-calcestruzzo-acciaio, in cui le due piastre di acciaio sono interconnesse da una serie di connettori a barra trasversale saldati simultaneamente per attrito su entrambe le estremità5. Zeng et al. progettato e prodotto cinque campioni con connettori a piastra perforata e cinque campioni con connettori a perno saldati per studiare il comportamento osservato del pilone composito acciaio-cemento a doppia pelle sotto carico assiale e carico assiale costante combinato con carico laterale ciclico, rispettivamente7. Leng WH ha studiato il metodo di calcolo della capacità portante dei connettori a taglio PBL del pilone curvo composito acciaio-calcestruzzo precompresso del ponte Lichuan e i fattori che influenzano il ritiro e lo scorrimento viscoso del calcestruzzo nel guscio di acciaio8. JY Richard Liew et al. hanno studiato le prestazioni di un'innovativa struttura composita sandwich con connettori con gancio a J, comprese travi composite sandwich, piastre composite sandwich e pareti sandwich composite soggette a esplosione, impatto, fatica e carichi statici9. Wei et al. studiato sul meccanismo di trasmissione della forza di un pilone composito acciaio-calcestruzzo con un pilone superiore in acciaio e un pilone inferiore in cemento alla giunzione di acciaio e cemento mediante un test su modello in scala10. Wang et al. hanno studiato gli effetti delle diverse forme della sezione trasversale e dei connettori a taglio sul pilone composito acciaio-calcestruzzo e i risultati hanno mostrato che, rispetto alla sezione trasversale rettangolare, la sezione trasversale rettangolare con smussi ha una maggiore capacità di resistere all'instabilità locale, inoltre, i connettori a taglio possono aumentare notevolmente la capacità portante e la duttilità del pilone composito acciaio-calcestruzzo1.