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LA PRECOMPRESSIONE DELLE STRUTTURE IN ACCIAIO PARTE I – GENERALITA’
Introduzione
Perché precomprimere un materiale, l’acciaio, che è ugualmente forte a trazione e a
compressione? Perché la precompressione migliora il comportamento statico e riduce i
costi delle strutture in acciaio; precomprimere il calcestruzzo significa trasformare una
struttura fragile in una struttura elastica capace di sopportare anche sforzi di trazione,
invece precomprimere l’acciaio significa espandere l’intervallo di tensioni elastiche
ammissibili e aumentare le prestazioni degli elementi strutturali.
(professore T.Y.Lin docente dell’Università di Berkeley California).
Il professore T.Y.Lin fu uno dei più importanti studiosi internazionali delle tecniche di
precompressione dell’acciaio, in particolar modo della progettazione e realizzazione di
ponti in acciaio precompresso.
In Italia gli studi accademici sulle strutture in acciaio con cavi di precompressione esterni,
allo stato attuale sono allo stadio zero della conoscenza, tuttavia le numerose
realizzazioni e gli studi accademici internazionali hanno messo in luce i diversi vantaggi
che si hanno nel precomprimere l’acciaio, il testo che segue ha lo scopo di descriverne il
metodo e i risultati fino ad oggi conseguiti.
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Definizione dell’acciaio precompresso
La precompressione dell’acciaio equivale all’applicazione di una forza di compressione
esterna ad una struttura, tale da produrre una distribuzione di sforzi interni che si oppone
agli sforzi prodotti dai carichi esterni.
Lo sforzo di compressione dovuto alla presollecitazione applicata all’elemento d’acciaio e
le tensioni indotte dai carichi esterni sull’elemento non devono necessariamente
annullarsi tra loro per realizzare prestazioni migliori, ma devono, invece, avere valori tali
da ottimizzare il comportamento flessionale della sezione.
Benefici della precompressione dell’acciaio
Scopo della precompressione degli elementi in acciaio è quello di aumentarne le
prestazioni e di conseguenza realizzare strutture più economiche.
I benefici di cui gode una struttura in acciaio precompresso sono i seguenti:
1) ridistribuzione degli sforzi interni;
2) risparmio nei pesi delle strutture;
3) aumento della resistenza a fatica;
4) riduzioni degli spostamenti verticali delle travi;
5) applicazione dell’acciaio precompresso a strutture già esistenti.
1. Ridistribuzione degli sforzi interni
L’acciaio precompresso produce una favorevole ridistribuzione degli sforzi interni che si
oppone ai carichi esterni applicati. Un esempio di questa favorevole ridistribuzione si può
visualizzare applicando uno sforzo di precompressione a una trave appoggiata appoggiata.
Dalla figura 1, con riferimento alla sezione di mezzeria, si nota che nella fase di esercizio
la somma delle tensioni provocate dai carichi esterni e di quelle provocate dalla
precompressione fornisce un diagramma risultante (1c) in cui le tensioni massime sono
notevolmente inferiori a quelle derivanti dall’applicazione dei soli carichi esterni (1a). Il
risultato è il raggiungimento di un maggiore range di
tensioni massime, sia di
compressione che di trazione, tale da fare sopportare alla trave un carico maggiore.
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(I differenti pedici delle forze di precompressione N0 e N1 stanno ad indicare un differente
valore delle stesse dovuto alle inevitabili perdite e cadute di tensioni nei cavi di
precompressione) .
Il fatto che il cemento armato non resiste a trazione (o meglio resiste poco a trazione) ne
limita fortemente l’effetto della precompressione, in quanto nella fase di tiro, nelle fibre
superiori della trave non si possono avere trazioni (o si hanno di valore irrilevante) che si
andrebbero a detrarre alla compressione in fase di esercizio come invece avviene per
l’acciaio, con evidente beneficio della sezione.
Fig. 1
2. Risparmio nei pesi delle strutture
Per quanto è stato detto prima in merito ai vantaggi, l’utilizzo di strutture in acciaio
precompresso comporta una riduzione dei pesi delle strutture, tanto più evidente se si
utilizzano cavi ad alta resistenza.
In genere il più alto costo del peso specifico dovuto all’utilizzo dei cavi d’acciaio ad alta
resistenza è compensato, in termini di costo, dall’aumento del range delle tensioni
applicabili.
Il professore Saadatmanesh dell’Università del Meryland ha studiato in dettaglio come
l’utilizzazione delle strutture in acciaio precompresso porta ad una notevole convenienza
economica nella realizzazione delle grandi opere.
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Fig. 2
Per i ponti, in particolare, ha dimostrato che per ogni kg di cavo di acciaio ad alta
resistenza utilizzato esiste un risparmio di 5 kg di acciaio nelle strutture, e mentre
l’aumento di costo dovuto ai cavi può variare di un fattore compreso tra 1 e 2 (vedi
variazione dei costi in fig. 2 - price - 1,20/0,90= 1,3), la tensione massima raggiungibile
può variare rispettivamente tra 7 e 8 (vedi variazioni delle tensioni in figura - stress1662/22= 7,5) da ciò si rileva che l’aumento delle tensioni raggiungibili è valutabile
intorno a 5 volte (7,5/1,3 = 5,5 ) l’aumento corrispondente in termini di costo.
3. Aumento della resistenza a fatica
Un ulteriore beneficio dell’utilizzo dell’acciaio precompresso è dovuto all’aumento della
resistenza a fatica dell’elemento strutturale sottoposto a un carico ciclico, per effetto dello
spostamento del range delle tensioni verso le tensioni di compressione.
4. Riduzione degli spostamenti
Nelle travi semplici la precompressione induce una deformata con curvatura opposta a
quella dovuta ai carichi esterni, con conseguente diminuzione degli spostamenti durante
la fase di esercizio della trave.
Nelle travi in acciaio precompresso con impalcato collaborante invece, la diminuzione
degli spostamenti è attribuibile ad un irrigidimento dovuto all’azione combinata, che si
manifesta per l’intera lunghezza della trave, dell’acciaio precompresso e del calcestruzzo
armato
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5. Applicazione dell’acciaio precompresso alle strutture esistenti
La precompressione dell’acciaio può essere applicata a strutture nuove o a strutture già
esistenti.
L’utilizzo della precompressione a cavi esterni per le strutture in acciaio infatti è un mezzo
particolarmente efficace nel rinforzo di ponti, allo scopo di aumentarne la portanza o per
permettere il passaggio occasionale di carichi molto pesanti.
Casteldaccia (PA), lì 17.12.2013
Ing. Francesco Solazzo
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