Il comportamento viscoso a lungo termine del calcestruzzo confinato in tubi d’acciaio di grande diametro rappresenta un nodo critico per la progettazione di ponti ad arco con campate superiori ai 500 metri. Strutture come il ponte Tian’e Longtan, con i suoi 600 metri sul fiume Hongshui, rendono evidente la necessità di modelli predittivi affidabili per il creep del nucleo cementizio, soprattutto quando si utilizzano miscele modificate con agenti espansivi per contrastare il ritiro iniziale.
Il confinamento nei CFST e il distacco interno del nucleo
Nei tubi d’acciaio riempiti di calcestruzzo (CFST) la sinergia tra la compressione del materiale lapideo e la trazione dell’acciaio è alla base dell’efficienza strutturale. Tuttavia, all’aumentare della luce, il calcestruzzo centrale, se confinato, può manifestare un distacco localizzato dalla parete interna del tubo. Per ovviare al ritiro precoce, sono stati introdotti agenti espansivi, ma fino a studi recenti il comportamento del creep di queste miscele su scala reale risultava scarsamente documentato.
Sperimentazione su provini in scala reale e validazione del modello
Un gruppo di ricerca congiunto tra Guangxi University, Guangxi Polytechnic of Construction e Dongguan University of Technology ha condotto uno studio mirato a colmare questa lacuna. L’indagine, pubblicata con il titolo 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, ha previsto la misurazione della deformazione assiale e radiale su provini CFST di diametro 0,92 metri, lunghezza 12 metri e spessore di parete 0,01 metri, prelevati direttamente dal cantiere del ponte Tian’e Longtan e monitorati per 114 giorni.
Il modello matematico elaborato descrive l’espansione radiale del calcestruzzo suddividendo il fenomeno in due fasi: il distacco iniziale e la successiva restrizione. Basato sulla meccanica elastica e sul creep lineare, il modello è stato calibrato con funzioni a tratti e validato sui provini reali. Alcuni campioni contenevano agenti espansivi, altri ne erano privi, consentendo un confronto diretto.
Dati di deformazione: efficacia degli agenti espansivi
I risultati sperimentali hanno evidenziato un gap di distacco di 0,142 mm prima della presa iniziale. L’espansione radiale complessiva ha raggiunto 290,1 x 10⁻⁶; di questi, 158,3 x 10⁻⁶ sono stati assorbiti per colmare il distacco, mentre 131,8 x 10⁻⁶ hanno generato auto-sollecitazione nel tubo d’acciaio. Dopo sei mesi il creep radiale si è stabilizzato, lasciando un’espansione residua di 26,4 x 10⁻⁶ e una tensione residua di 0,119 MPa.
Nei provini privi di agenti espansivi la deformazione assiale ha mostrato una riduzione delle forze di contenimento verso il nucleo a causa dello snervamento localizzato. Al contrario, i campioni con agenti espansivi hanno presentato una distribuzione più uniforme delle tensioni, mitigando i punti di debolezza strutturale. Questo dato conferma che gli agenti espansivi non si limitano a contrastare il ritiro precoce, ma contribuiscono attivamente alla stabilità portante a lungo termine.
Rilevanza per la progettazione di infrastrutture di grande luce
La concordanza tra i dati di laboratorio e le misurazioni in campo rafforza l’affidabilità dei modelli predittivi per i CFST. L’integrazione delle deformazioni rilevate su provini in scala reale ha permesso di sviluppare uno strumento pratico con una buona corrispondenza con le osservazioni sul ponte. Per i progettisti, questo significa poter contare su stime più precise del comportamento a lunghissimo termine, riducendo l’incertezza legata al creep, spesso trascurata nelle fasi iniziali di dimensionamento.
L’uso di agenti espansivi, unito a una modellazione informata del creep, potrebbe ridefinire gli standard costruttivi per ponti CFST di grande luce. Tecnologie analoghe trovano applicazione in contesti internazionali, dai viadotti ferroviari europei ai corridoi di trasporto africani, dove la durabilità su scala decennale è un requisito fondamentale.
“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, evidenziando il valore dell’approccio sperimentale su scala reale.
Il lavoro, firmato da Zheng Chen, Changjie Wu, Ben Chen, Yang Yang, Weiying Liang, Yunchao Tang e Jielian Zheng, pone le basi per future indagini sulle prestazioni a lungo termine dei materiali compositi. Per i professionisti del settore, la ricerca conferma l’importanza di adottare strategie di materiali supportate da una verifica sperimentale in condizioni rappresentative, in un’epoca in cui le infrastrutture globali richiedono sia rapidità di realizzazione sia affidabilità nel tempo.
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