Utilizzo dei dispositivi di vincolo a fusibile meccanico nei ponti

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In questo articolo viene presentato il dispositivo di vincolo a fusibile meccanico. In particolare ci si sofferma sul ruolo che viene chiamato a svolgere nei ponti, in particolare nei ponti ferroviari o tranviari.

I dispositivi di vincolo a fusibile meccanico, sono dei dispositivi sacrificali che impediscono i movimenti relativi fra le parti collegate sino al raggiungimento di una soglia di forza. Al superamento di tale forza, grazie alla rottura di un elemento sacrificale, consentono tali movimenti. Sono utilizzati per escludere il sistema di protezione sismica nelle condizioni di servizio, consentendone invece il libero funzionamento durante il terremoto di progetto.

Tali dispositivi rivestono un ruolo particolarmente importante nei ponti caratterizzati da giunti di binario (ponti ferroviari o tranviari per l’appunto), giunto che presenta la principale caratteristica di accettare spostamenti relativi spalla impalcato, ma di non tollerare gli spostamenti differenziali trasversali (se non pochi mm).

Se per esigenze di protezione sismica, si deve ricorrere all’isolamento sismico e non a sistemi di vincolo rigido tra impalcato e sottostrutture, occorre tener presente che nelle condizioni di servizio del ponte e per sismi frequenti (caratterizzati da un moderato periodo di ritorno) non possono maturare spostamenti differenziali trasversali in corrispondenza del giunto di binario. Ma, come è ben noto, l’isolamento sismico non può assolvere a questa richiesta (basti pensare all’isolamento realizzato con dispositivi in gomma, oppure con isolatori a pendolo) in quanto sotto l’azione ad esempio del vento di progetto o del sisma frequente maturano sicuramente spostamenti non compatibili con il giunto di binario.

Pertanto in queste strutture occorre accoppiare al sistema d’isolamento dei fusibili in spalla che connettano rigidamente l’impalcato alle sottostrutture nella direzione trasversale all’asse longitudinale del ponte. L’elemento sacrificale deve presentare una resistenza, al di sopra della quale avviene la sua rottura, tarata sui livelli di forza che si possono osservare in condizioni di servizio e sotto l’azione di sismi frequenti.

I ponti provvisti di dispositivi di vincolo a fusibile meccanico, presentano pertanto 2 schemi statici differenti alle azioni trasversali rispettivamente in condizioni di servizio e durante il terremoto di progetto. Nel primo caso lo schema statico dell’impalcato e di trave continua su appoggi fissi in spalla e su appoggi deformabili nelle pile, mentre in presenza di sisma di progetto l’impalcato è una trave continua su appoggi deformabili che dissipano l’energia introdotta dal sisma.

In fase di progetto della resistenza dell’elemento fusibile occorre tener presente di quanto detto sopra. In particolare occorre porre particolare attenzione ai livelli di forza sull’elemento sacrificale in condizioni di sisma frequente. Per determinare tali livelli di forza il progettista deve tener presente che sotto l’azione di sisma frequente, il ponte risulta in minima parte isolato in direzione trasversale nella parte centrale sopra le pile dove possono maturare spostamenti differenziali impalcato-sottostruttura e dissipazioni di energia, mentre in corrispondenza delle spalle non avviene alcuna dissipazione. Pertanto occorre porre particolare attenzione nella scelta del coefficiente di smorzamento viscoso equivalente se si effettuano analisi lineari. A favor di sicurezza si potrebbe assumere un valore pari al 5%, ma si può correre il rischio di essere troppo conservativi, ottenere elementi sacrificali troppo sovradimensionati e conseguentemente avere strutture di spalla troppo importanti. In alternativa il progetto dell’elemento sacrificale può essere fatto attraverso analisi dinamiche non lineari. Comunque l’analisi dinamica non lineare dovrebbe essere effettuata per verificare la progettazione del vincolo a fusibile.

Nel filmato qui sotto si riporta la risposta sismica di un ponte dotato di elementi sacrificali in spalla soggetto all’azione sismica di progetto. Si può notare come nella fase iniziale del terremoto, l’impalcato oscilli con un periodo proprio “basso” e poi dopo la rottura dei fusibili e una fase transitoria di assestamento cominci ad oscillare con un periodo proprio da struttura isolata. Com’era logico aspettarsi si osserva in altre parole uno shift del periodo di oscillazione.

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