I ponti sono generalmente pensati come strutture statiche. La verità è che in realtà agiscono più come esseri viventi dinamici. Cambiano costantemente, rispondendo a diversi carichi, modelli meteorologici e altri tipi di stress per funzionare. In alcuni casi, proprio come una persona che subisce un trauma, i ponti devono “reagire” a eventi estremamente stressanti come incidenti, esplosioni, incendi, terremoti e uragani per sopravvivere.

In questo articolo, vedremo come diversi tipi di ponti sono progettati per gestire lo stress. Esamineremo anche alcune delle forze più comuni che mettono sotto stress i ponti. Questi fattori di stress possono avere un grande impatto su come i ponti invecchiano, cadono in declino e potenzialmente falliscono.

La loro comprensione può aiutare gli ingegneri a sviluppare strutture durevoli e gli ispettori e il personale di manutenzione a far durare più a lungo le strutture esistenti.

Il dilemma della gravità

La forza più profonda che colpisce i ponti è la gravità, che li tira costantemente, cercando di trascinarli sulla terra. La gravità non è un grosso problema quando si tratta di edifici, compresi quelli grandi come i grattacieli, perché il terreno sotto di loro sta sempre spingendo indietro.

Questo non è il caso quando si tratta di ponti. Il loro piano di calpestio si estende nello spazio aperto. “Spazio” non fornisce alcun supporto contro la gravità. I ponti più grandi che si estendono su spazi più lunghi sono più vulnerabili alla gravità rispetto a quelli più corti. Allo stesso modo, le strutture più pesanti hanno maggiori probabilità di cadere vittime della gravità rispetto a quelle più leggere.

I guasti del bridge sono un evento relativamente raro. Quindi, cos’è che impedisce loro di cadere a causa della forza di gravità?

La risposta è praticamente la stessa indipendentemente dal tipo di struttura:

• La compressione (una forza che spinge o stringe verso l’interno) è attentamente bilanciata con la tensione (una forza che si estende e tira verso l’esterno).
• Questo bilanciamento avviene incanalando il carico (il peso totale della struttura del ponte) sugli abutment (i supporti alle due estremità del ponte) e sui moli (i supporti che corrono sotto il ponte lungo la sua lunghezza).

Queste forze sono distribuite in vari modi su diversi tipi di ponti:

Ponte a fascio

Un ponte a fascio ha il suo ponte (fascio) in tensione e compressione. (Il fascio può essere spremuto e allungato a seconda delle condizioni.) Gli abutment sono in compressione, il che significa che vengono sempre schiacciati.

Ponte ad arco

Un ponte ad arco supporta i carichi distribuendo la compressione su e giù per l’arco. La struttura sta sempre spingendo su se stessa.

Ponte sospeso

Le torri (moli) di un ponte sospeso sono in compressione e il ponte pende da cavi in tensione. Il mazzo stesso è sia in tensione che in compressione.

Ponte strallato

Un ponte strallato è simile a un ponte sospeso. Tuttavia, il ponte pende direttamente dai moli sui cavi. I moli sono in compressione e i cavi sono in tensione. Il mazzo sperimenta entrambe le forze.

Truss bridge

Un truss bridge è una variante di una struttura a trave con rinforzi migliorati. Il ponte è in tensione. Le capriate gestiscono sia la tensione che la comprensione, con quelle diagonali in tensione e quelle verticali in compressione.

Un ponte ad arco supporta i carichi distribuendo la compressione su e giù per l’arco. La struttura sta sempre spingendo su se stessa.

Ponte a sbalzo

Un ponte a sbalzo è una delle forme più semplici da capire. Fondamentalmente, affronta le forze di tensione (tirando) sopra il ponte e quelle di compressione (spingendo) sotto.

Dai un’occhiata a questi ponti che gestiscono le forze in modi unici:

The Rolling Bridge, London

Questa struttura scultorea è un tipo di ponte comunemente indicato come un ponte di curling. È composto da otto sezioni triangolari che sono incernierate insieme. Il ponte è in grado di” uncurl “per consentire ai pedoni di attraversarlo e” rannicchiarsi” per far passare le barche.

Quando la struttura è nel suo stato “uncurled”, sembra e funziona molto come un ponte a traliccio. Un sistema di pistoni idraulici viene utilizzato per arrotolarlo nella sua forma ottagonale chiusa.

By Loz Pycock , via Wikimedia Commons

The Gateshead Millennium Bridge, Newcastle

Questa innovativa struttura viene spesso definita un ponte “tilt”. Utilizza un sistema idraulico avanzato per sollevarlo fuori strada quando passano le barche.

Anche se questo sembra abbastanza semplice, questo ponte deve affrontare problemi di tensione e compressione unici. Sfrutta le caratteristiche delle sospensioni e dei disegni strallati che vengono spinti (e allungati) ai limiti estremi quando il ponte è in movimento. Questa struttura aggiunge una nuova dimensione all’ingegneria dei ponti standard.

Il design del ponte è semplice e complesso allo stesso tempo. Un ponte bilancia costantemente le forze di compressione in determinate posizioni con quelle di trazione in altre, quindi nessuna forza schiacciante, in particolare la gravità, supera la struttura in qualsiasi momento, causando danni o collassi.

Fattori di stress oltre la gravità

Il fattore di complicazione è che la compressione e la tensione su un ponte si spostano costantemente a causa di fattori di stress come:

Cambiare i carichi

Sarebbe facile costruire ponti se i carichi su di essi rimanessero statici. Le forze su di loro non cambierebbero mai. La realtà è che i carichi possono variare in modo drammatico e dinamico durante il giorno e nel tempo.

Ponti trasportano tutto, dai treni, automobili, camion, e pedoni alle linee d’acqua e altre infrastrutture di utilità. La quantità di traffico e di spostamento del volume di utilità durante il giorno, causando variazioni significative nel carico in tensione, che può aumentare e diminuire le forze di trazione e compressione attraverso la struttura.

Esempio: Quando una ferrovia viaggia su un ponte, la struttura si piega e si flette, quindi ritorna al suo stato di rilassamento originale una volta che il treno passa.

Le forze ambientali

I ponti reagiscono costantemente a Madre Natura. Le fonti ambientali di stress includono:

• Maree, onde e back-up dell’acqua. L’acqua è una delle forze più potenti sulla terra. Gli ingegneri spesso inseriscono aperture negli abutment del ponte per consentire all’acqua di fluire attraverso piuttosto che spingere contro di loro.
• Venti. Forti raffiche di vento possono far oscillare e torcere i ponti. Quelli moderni sono più leggeri e più aerodinamici, permettendo al vento di attraversarli, il che impedisce loro di muoversi.
• Terremoti. Le forze sismiche causano le sezioni del ponte a tremare e schiantarsi l’una contro l’altra, il che può farle sgretolare. I progettisti includono ammortizzatori per assorbire le vibrazioni e paraurti per impedire alle sezioni di sbattere l’una contro l’altra sui ponti nelle zone sismiche attive.
• Uragani e altre grandi tempeste possono avere effetti devastanti sulle aree esposte dei ponti. I team di costruzione spesso installano dispositivi di protezione intorno alle sezioni vulnerabili, come le infrastrutture di utilità.
• Ghiaccio, freddo e bufere di neve. Il freddo e le condizioni di congelamento causano la contrazione su alcuni elementi del ponte. Lo scongelamento può avere l’effetto opposto. Gli impatti dell’espansione e della contrazione sono stati esacerbati nelle condizioni climatiche più estreme di oggi. Gli ingegneri spiegano questo incorporando componenti più reattivi e flessibili in ponti costruiti in luoghi freddi.

Incidenti e altri eventi imprevisti

Incidenti stradali e di costruzione, barche che colpiscono gli abutment e le esplosioni possono portare a stress significativi del ponte e, a volte, a guasti. I costruttori possono sfruttare materiali resistenti al fuoco e elementi isolanti per limitare l’impatto che gli eventi estremi hanno sull’equilibrio delle forze che influenzano un ponte.

Conclusione

Alcune delle forze sopra descritte possono causare danni catastrofici immediati ai ponti o guasti finali. Questi fattori di stress si consumano anche ai ponti nel tempo, portando a danni a lungo termine.

Proprio come gli esseri viventi, i ponti hanno modi di comunicare che sono troppo stressati. Ispettori, manager e ingegneri devono cercare questi segni. Può aiutarli a mantenere le strutture esistenti sicure e fornire loro le informazioni di cui hanno bisogno per progettare strutture ancora più resistenti e reattive in futuro.