EVOLUZIONE DELL'IMPALCATO NEI PONTI SOSPESI

L'evoluzione della concezione dell'impalcato per ponti sospesi di grande luce, a partire dal secolo scorso, ha riguardato, sostanzialmente, tre aspetti importanti:

Il ruolo dell'impalcato nella risposta strutturale globale, con la propria rigidezza flessionale e torsionale: nei primi ponti, e comunque per luci decisamente inferiori a 1.000 m, tale ruolo era infatti fondamentale, mentre esso viene meno importante all'aumentare della luce, tanto da rendere dominante e fondamentale quello della rigidezza dei cavi di sospensione. Il rapporto tra le due rigidezze (geometrica dei cavi / flessionale dell'impalcato) è dell'ordine delle centinaia per luci di 1.000 m e dell'ordine delle centinaia di migliaia per luci di oltre 3.000 m.

Lo studio aerodinamico dell'impalcato al fine della minimizzazione delle forze di drag, cioè delle spinte aerodinamiche che si traducono in spostamenti orizzontali sottovento, e forze orizzontali trasmesse ai cavi. Da questo studio si sono ricercati i profili aerodinamici ottimali ai fini del drag.

Lo studio aeroelastico dell'impalcato al fine della stabilità aerodinamica, con particolare riguardo al controllo del flutter.

Per quanto riguarda questa evoluzione è possibile individuare tre generazioni successive di ponti sospesi di grande luce.

Ponti sospesi di I generazione

Comprende i numerosi ponti con impalcato reticolare, costruiti in grande numero, soprattutto negli Stati Uniti, tra la fine dell'Ottocento e la prima metà del Novecento (Brooklyn 1883, Golden Gate, 1937), e, più recentemente, in Giappone (Ohnaruto 1985, Minami-Bisan Seto 1988). Questo tipologia di ponti ha luci tipiche che vanno da alcune centinaia di metri a poco più di 1.000 m. L'impalcato reticolare contribuisce sostanzialmente con la sua grande rigidezza flessionale e torsionale alla stabilità globale dell'opera. La sua grande resistenza al vento si traduce però in pesi molto elevati di tutte le strutture, e grandi deformazioni sottovento dell'impalcato stesso. Con la realizzazione del ponte giapponese Akashi-Kaikyo (1998), si è raggiunto quello che può considerarsi il limite estremo di luce per questa generazione di ponti. Esso, infatti, con una luce di poco meno di 2.000 m sconta, tuttavia, la notevolissima freccia laterale di oltre 30 m sotto l'azione del vento di progetto.

Ponti sospesi di II generazione

Comprende i ponti con impalcato aerodinamico a cassone singolo, che per la loro forma furono spesso chiamati alari. Costruiti nella seconda metà del Novecento, specialmente in Europa (Severn 1966, Little Belt 1970, Humber Bridge 1981, Bosforo 1973), questi ponti hanno normalmente luci comprese tra i 1.000 e i 1.600 m. L'impalcato a cassone scatolare, già concepito per l'aerodinamica, offrendo una resistenza al vento più limitata, presenta anche minori deformazioni sottovento, è più leggero ed efficiente dal punto di vista strutturale. La rigidezza torsionale della sezione resta tuttavia elevata, e questo è un aspetto importante da considerare ai fini della stabilità dinamica. La sezione a cassone unico, infatti, non è intrinsecamente stabile e presenta problemi di instabilità aeroelastica crescenti al crescere della luce libera. Per grandi luci occorre allora aumentare l'altezza del cassone per avere maggiore rigidezza (4,5 m nel caso dell'Humber Bridge). Così facendo si ottiene però un profilo più tozzo che presenta maggiore resistenza al vento, ma con lo svantaggio di avere strutture molto pesanti. Inoltre, impalcati con profili tozzi sono soggetti al fenomeno del distacco di vortici (vortex shedding), con tutta una serie di problematiche che ne consegue. Si presenta quindi, anche per questa generazione, un limite di circa 2.000 m per la luce massima di utilizzo, un limite nel quale il contributo dell'impalcato alla stabilità globale tende a diventare insignificante.

Ponti sospesi di III generazione

Questa generazione è stata inaugurata con il progetto del Ponte Sospeso sullo Stretto di Messina, nel quale la concezione dell'impalcato ha consentito un ulteriore aumento della luce. La sezione dell'impalcato è composta da cassoni multipli a profilo alare, separati da superfici trasparenti all'aria e dotati di adeguati accorgimenti aerodinamici. Esso non solo presenta una modestissima resistenza al vento, ma è anche intrinsecamente stabile nei confronti dei fenomeni di instabilità aeroelastica. Tutto questo con l'obiettivo di minimizzare all'origine i fenomeni pericolosi, invece di porvi rimedio con la resistenza strutturale. La stabilità dell'opera è affidata al sistema di sospensione in grado di fornire la rigidezza necessaria alla campata centrale di 3.300 m

EFFETTI AEROELASTICI DI INSIEME

La risposta di una struttura ad un'azione esterna dipende, in generale, dalla sua tipologia e dalle caratteristiche specifiche che la definiscono (materiali, vincoli, ecc). Nel caso dei ponti sospesi, la risposta al vento dipende, essenzialmente, dal comportamento aerodinamico dell'impalcato, e in misura minore da quello delle torri e dal sistema di sospensione (cavi e pendini). Come primo elemento della struttura, l'impalcato trasmette ai cavi tutti i suoi carichi (peso proprio, carichi di utenza, azione eolica), condizionandone fortemente il dimensionamento. Per questo motivo l'impalcato è l'elemento chiave del progetto sul quale si concentra gran parte dell'attività di studio teorico e sperimentale. In tale contesto assume un'importanza fondamentale minimizzare la resistenza al vento dell'impalcato ed ottimizzare la sua stabilità aeroelastica, dalla quale dipende anche la stabilità globale del ponte sospeso. Le caratteristiche aerodinamiche sono sintetizzabili mediante i coefficienti di resistenza, di portanza e di momento, che permettono di definire le azioni aerodinamiche sulla generica sezione. Le forme di instabilità che possono generarsi dipendono dalle derivate aerodinamiche, ovvero dalle derivate dei coefficienti di portanza e di momento, rispetto all'angolo di incidenza tra vena ed impalcato, oltre che dai parametri previsti dalla Teoria Quasi-Statica Corretta.

Instabilità per Galloping

Questa instabilità si presenta con prevalente partecipazione del modo flessionale o torsionale dell'impalcato e delle torri del sistema di sospensione, e si manifesta per profili non assimilabili ad un profilo alare, ovvero prolungato nella direzione della vena. Il galloping può manifestarsi sia per profili con grande sezione frontale, sia anche per profili alari, quando questi presentino elevati angoli di incidenza.

Instabilità per Flutter

E' tipica dei profili alari, ed è originata dall'accoppiamento dei due primi modi, flessionale e torsionale, con deformate simili. Le relative frequenze vengono avvicinate dall'effetto associato all'azione del vento, il quale inoltre introduce energia nel sistema. In particolare l'instabilità da flutter si manifesta, per un profilo alare, se la frequenza del modo flessionale è minore a quella del modo torsionale. La velocità critica del vento per la quale può manifestarsi questa instabilità (velocità di flutter), è tanto più bassa quanto più vicine sono le frequenze dei modi flessionale e torsionale che possono accoppiarsi, e quanto più elevate (in valore assoluto) sono le derivate dinamiche. Diagrammi polari dei coefficienti con marcate pendenze e tratti a derivata negativa prefigurano, quindi, il pericolo di flutter.

Distacco dei vortici (vortex shedding)

E' una forma di eccitazione aeroelastica che si manifesta per quei profili che tendono a distaccare vena, come ad esempio impalcati di tipo non alare o superfici dove si possono avere distacchi locali di vena, come le gambe delle torri. Se la frequenza di distacco dei vortici si sincronizza con una delle frequenze naturali del ponte, si possono manifestare oscillazioni che non sono tali da portare al collasso la struttura (come nel caso del flutter), ma che condizionano comunque la resistenza a fatica e le condizioni di esercizio.

Eccitazione aerodinamica dovuta alla turbolenza

La turbolenza caratterizza il vento quando la sua velocità ha intensità e direzione non costanti nel tempo: essa è soggetta a fluttuazioni stocastiche attorno ad un valore medio e di entità che aumenta all'aumentare della turbolenza. Le variazioni della velocità, in modulo e direzione, generano variazioni delle forze aerodinamiche che provocano oscillazioni del ponte attorno alla deformata definita dal valore medio del vento. Quanto più l'impalcato è intrinsecamente stabile (cioè dotato di smorzamento aerodinamico), tanto minore è l'intensità di queste oscillazioni. Per il corretto dimensionamento strutturale del ponte è importante valutare l'amplificazione dinamica degli sforzi a cui è soggetto. A tal fine, un importante indice che quantifica l'effetto della turbolenza è dato dal rapporto tra lo stato di sforzo valutato in condizioni dinamiche (ponte soggetto a vento turbolento), ed il corrispondente stato di sforzo valutato in condizioni statiche (ponte soggetto a vento laminare).