Caratterizzazione del comportamento a scorrimento viscoso a lungo termine nei ponti in tubi d’acciaio riempiti di calcestruzzo.

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La stabilità a lungo termine dei ponti in tubo d’acciaio riempito di calcestruzzo (CFST) rappresenta una sfida cruciale nell’ingegneria moderna delle grandi luci. Strutture imponenti, come il ponte Tian’e Longtan in Cina, con la sua campata ad arco da 600 metri sul fiume Hongshui, esemplificano l’ambizione progettuale e la precisione costruttiva, ma sollevano interrogativi sul comportamento a lungo termine del materiale composito, in particolare per quanto riguarda il creep e le complesse sollecitazioni interne.

Il comportamento del calcestruzzo confinato e il ruolo degli agenti espansivi

I tubi d’acciaio riempiti di calcestruzzo costituiscono l’ossatura di molti ponti ad arco di grandi dimensioni, sfruttando la resistenza a compressione del calcestruzzo in combinazione con la resilienza a trazione dell’acciaio. Tuttavia, con l’aumento delle campate, il calcestruzzo nel nucleo può manifestare un distacco interno quando confinato dall’acciaio, creando potenziali punti di debolezza strutturale. Per contrastare il ritiro iniziale, sono stati introdotti agenti espansivi nel calcestruzzo. Nonostante ciò, il comportamento del creep a lungo termine di questo materiale all’interno dei tubi d’acciaio ha costituito finora un ambito poco esplorato.

Metodologia e risultati sperimentali di uno studio sui CFST

Per affrontare questa lacuna di conoscenza, un team di ricerca congiunto della Guangxi University, della Guangxi Polytechnic of Construction e della Dongguan University of Technology ha avviato uno studio approfondito. L’indagine, intitolata Long-term creep behaviour of expansive agent core concrete in full-scale concrete-filled steel tube from the world’s largest span arch bridge study, si è focalizzata sulla comprensione del comportamento del calcestruzzo modificato con agenti espansivi quando confinato in provini CFST di dimensioni reali.

I ricercatori hanno modellato l’espansione radiale del calcestruzzo centrale suddividendola in due fasi distinte: il distacco e la successiva restrizione. Basandosi sui principi della meccanica elastica e del creep lineare, hanno sviluppato un modello matematico capace di descrivere entrambe le fasi attraverso funzioni a tratti. Tale modello è stato poi validato su provini CFST in scala reale, prelevati direttamente dal cantiere del ponte Tian’e Longtan.

La sperimentazione ha superato la scala di laboratorio, prevedendo misurazioni per 114 giorni su provini CFST con un diametro di 0,92 metri, una lunghezza di 12 metri e uno spessore di parete di 0,01 metri. Alcuni provini includevano agenti espansivi, mentre altri ne erano privi, consentendo di convalidare il modello di creep in condizioni costruttive rappresentative della realtà.

Dati di deformazione e l’efficacia degli agenti espansivi

I risultati sperimentali hanno fornito indicazioni significative. Si è osservato un gap di distacco di 0,142 mm prima della presa iniziale del calcestruzzo centrale. L’espansione radiale complessiva ha raggiunto 290,1 x 10⁻⁶, di cui 158,3 x 10⁻⁶ sono stati assorbiti per chiudere il gap di distacco, e 131,8 x 10⁻⁶ hanno contribuito all’auto-sollecitazione nel tubo d’acciaio. Dopo un periodo di sei mesi, il creep radiale si è stabilizzato, lasciando un’espansione residua di 26,4 x 10⁻⁶ e un’auto-sollecitazione residua di 0,119 MPa.

Un aspetto fondamentale emerso dallo studio riguarda il ruolo degli agenti espansivi nel mantenere la consistenza delle sollecitazioni all’interno dei CFST. Nei provini privi di tali agenti, la deformazione assiale ha evidenziato che le forze di contenimento del tubo d’acciaio diminuivano verso il nucleo a causa dello snervamento localizzato. Al contrario, i provini con agenti espansivi hanno mostrato una distribuzione più uniforme delle sollecitazioni, contribuendo a mitigare efficacemente i punti deboli.

Questi risultati suggeriscono che gli agenti espansivi non solo contrastano il ritiro precoce, ma svolgono anche un ruolo cruciale nella stabilità portante a lungo termine delle strutture CFST. Tali approfondimenti sono di valore inestimabile in un contesto dove ponti come il Tian’e Longtan spingono i limiti di campata e progettazione.

Impatto sulla progettazione e durabilità delle grandi infrastrutture

La rilevanza di questa ricerca trascende la singola opera infrastrutturale. Con l’avanzamento nella progettazione e costruzione di campate sempre più ampie, una comprensione approfondita del comportamento dei materiali su scale temporali decennali diventa di importanza strategica. Il creep, spesso sottovalutato nelle fasi iniziali di progettazione, può alterare l’equilibrio delle sollecitazioni interne, introducendo potenziali problematiche di durabilità se non adeguatamente considerato.

Integrando i dati di deformazione ottenuti da provini di laboratorio nel modello in scala reale, il team di ricerca ha sviluppato uno strumento pratico che presenta un’eccellente concordanza con le misurazioni in campo. Questa coerenza rafforza la fiducia nei modelli predittivi impiegati nella fase di progettazione di futuri ponti in CFST.

Sebbene lo studio sia stato condotto in Cina, le sue implicazioni hanno una risonanza globale. La tecnologia CFST sta guadagnando terreno a livello internazionale per la sua efficienza e resilienza, dai vasti viadotti ferroviari europei ai corridoi di trasporto emergenti in Africa. L’impiego di agenti espansivi, unitamente a una comprensione informata del creep a lungo termine, potrebbe ridefinire l’approccio a tali progetti. Per i decisori politici e gli investitori, ciò si traduce in una maggiore certezza riguardo alla vita utile delle strutture CFST su larga scala. Per i professionisti dell’edilizia, evidenzia l’importanza di adottare nuove strategie sui materiali, supportate da una rigorosa ricerca.

Il lavoro, frutto della collaborazione di Zheng Chen, Changjie Wu, Ben Chen, Yang Yang, Weiying Liang, Yunchao Tang e Jielian Zheng, non solo presenta scoperte fondamentali, ma apre anche la strada a future indagini sulle prestazioni a lungo termine dei materiali. Dimostrando l’allineamento tra dati di laboratorio e di campo, il team ha tracciato la via per ponti CFST più prevedibili, sicuri e durevoli.

“L’introduzione delle deformazioni dei provini di laboratorio migliora la praticità del modello, e i risultati mostrano una buona concordanza tra i dati misurati e il modello” hanno concluso gli autori, sottolineando l’importanza di unire la teoria alla pratica.

In un contesto in cui l’infrastruttura globale è soggetta alle crescenti pressioni della crescita rapida e della necessità di resilienza a lungo termine, studi come questo indicano la direzione futura. Il ponte Tian’e Longtan è più di una campata da record; è un campo di prova per nuove frontiere dell’ingegneria. Dominando le sottigliezze del creep del calcestruzzo e i vantaggi degli agenti espansivi, l’industria è meglio equipaggiata per realizzare con maggiore fiducia la prossima generazione di megastrutture.