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LezionePONTI E GRANDI STRUTTUREProf. Pier Paolo RossiUniversità degli Studi di Catania

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I ponti Scenari di carico

Gli scenari di carico da considerare in fase di progetto dovranno riguardare :

• la fase finale dell’opera • le fasi transitorie (ad esempio fasi di realizzazione del ponte).

Nota: la normativa non stabilisce quali e quanti debbano essere gli scenari di carico da considerare. La scelta deve essere eseguita dal progettista e tale da garantire le prestazioni attese (in termini di sicurezza strutturale, funzionalità, durabilità ed estetica) dell’opera nella fase di costruzione così come in quella di utilizzo.

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AZIONI SUI PONTI

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Azioni sui pontiPonti stradali

azioni permanenti (pesi strutturali, non strutturali, spinta terre e idrauliche e precom.) azioni permanenti (distorsioni e deformazioni impresse)

Azioni permanenti

azioni variabili da traffico (carichi verticali)

azioni variabili da traffico (incremento dinamico addizionale)

azioni variabili da traffico (azione long. di frenamento o di accelerazione)

azioni variabili da traffico (azione centrifuga)

azioni sui parapetti e urto di veicoli in svio

Azioni variabili da traffico

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Azioni sui pontiPonti stradali

azione di neve e vento azione idrodinamica azione della temperatura

Altre azioni variabili

azioni sismiche azioni eccezionali azioni da costruzione

Altre azioni

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AZIONI PERMANENTI

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Azioni sui pontiAzioni permenenti

Le azioni permanenti possono essere :

• peso proprio di tutti gli elementi strutturali (G1);• forze indotte dal terreno (G1) (esclusi gli effetti di carichi variabili applicati al terreno); • forze risultanti dalla pressione dell’acqua (G1) (quando costanti nel tempo);• peso proprio di tutti gli elementi non strutturali (G2);

• presollecitazioni di progetto; • effetti reologici (ritiro e viscosità);• cedimenti vincolari.

Azioni che agiscono durante tutta la vita nominale di progetto della costruzione, la cui variazione di intensità nel tempo è molto lenta e di modesta entità.

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Azioni permanentiCedimenti vincolari

I cedimenti vincolari devono essere considerati solo nel caso in cui siano significativi per le strutture, sulla base delle indagini geotecniche. L’effetto dei cedimenti deve essere valutato quando, a seguito di indagini geotecniche si preveda un cedimento non trascurabile delle fondazioni delle pile e delle spalle, ovvero quando deformazioni anche modeste siano gravose per la struttura

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AZIONI VARIABILI DA TRAFFICO

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Azioni variabili da trafficoModelli

I carichi variabili da traffico sono definiti da schemi di carico su corsie convenzionali.

I modelli devono essere : semplici da usare in grado di riprodurre correttamente i principali effetti dei carichi reali gli stessi per le verifiche globali e locali in grado di considerare tutte le possibili situazioni di traffico in grado di corrispondere ai livelli di affidabilità prestabiliti in grado di includere gli effetti dinamici

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Gli effetti di carichi su siti di costruzione di strade (ad es. ruspe o camion carichi di terra) o di carichi per prove non sono riprodotti dai modelli di carico di normativa.Similmente, i modelli di carico di normativa non considerano veicoli il cui peso ecceda le disposizioni nazionali in tema di carichi militari.

Azioni variabili da trafficoModelli

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Il traffico dei veicoli può differire tra i ponti per : composizione (ad es. percentuale di camion) densità (ad es. numero medio di veicoli per anno) peso massimo dei veicoli carico per asse presenza di segnali stradali di limitazione del peso di veicoli

Queste differenze devono essere considerate dai modelli di carico

Azioni variabili da trafficoCaratteristiche

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Sulla base dei carichi mobili ammessi al transito, i ponti si suddividono in due categorie:

ponti stradali

passerelle pedonali

Azioni variabili da trafficoCategorie di ponti

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La superficie carrabile del ponte è composta da:

- piattaforma (corsie, banchine e spartitraffico) - eventuali marciapiedi sormontabili, di altezza inferiore a 20 cm e non protetti

da barriere di sicurezza stradale o da altri dispositivi di ritenuta.

La larghezza della sede stradale del ponte è la distanza misurata ortogonalmente all’asse stradale tra i punti più esterni dell’impalcato.

Azioni variabili da trafficoSede stradale e superficie carrabile

La sede stradale sul ponte è composta da:

- piattaforma (eventualmente divisa da uno spartitraffico e composta da corsie e banchine)

- dai cordoli e laddove previsti dai marciapiedi.

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larghezza carrabile (w) larghezza carrabile (w)

larghezza carrabile (w)

Sede stradale e superficie carrabile Esempi

larghezza della sede stradale

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Se la superficie dell’impalcato è divisa in due parti da uno spartitraffico centrale:

Se le parti sono separate da una barriera di sicurezza fissa …la superficie del ponte è suddivisa in due zone carrabili ognuna delle quali si estende tra i limiti interni dei sistemi di ritenuta veicolari

w w

w w


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Se la superficie dell’impalcato è divisa in due parti da uno spartitraffico centrale:

Se le parti sono separate da barriere di sicurezza mobili …la carreggiata si estende trai limiti interni dei sistemi di ritenuta esterni della strada

w

w


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La larghezza carrabile è divisa in corsie convenzionali e aree rimanenti

Larghezza di carreggiata

(w)

Numero di corsie convenzionali

(ne)

Larghezza corsia convenzionale Larghezza zona rimanente

w < 5.40 m 1 3 m w - 3.00 m5.4 ≤ w ≤ 6.0 m 2 w/2 0

6.0 ≤ w ni = int(w/3) 3 m w- (3.00 ni)

La corsia convenzionale non coincide (a meno di eccezioni)con la corsia stradale

Azioni variabili da trafficoCorsie convenzionali e aree rimanenti

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Le azioni da traffico sono inoltre distinte in:

• azioni verticali • azioni longitudinali di frenamento o di accelerazione • azioni centrifughe

Azioni variabili da trafficoSchemi di carichi verticali da traffico

I carichi da traffico sono disposti sulle corsie convenzionali nell’ambito della superficie carrabile.

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Azioni variabili da traffico(azione verticale)

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La normativa italiana definisce

6 schemi di carichi variabili verticali da traffico

da considerarsi per verifiche di tipo globale e locale.

Azioni verticali da trafficoSchemi di carico

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Le cause degli schemi di carico variabile verticale da traffico e le verifiche per cui tali schemi sono utilizzati sono definiti nella seguente tabella :

Numero Causa Tipo verifica1 Traffico veicolare Globale/Locale2, 3, 4 Locale5 Folla Globale6 Traffico veicolare Globale

Azioni verticali da trafficoCause e verifiche

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Schema di carico 1 –

E’ costituito da :

- carichi concentrati disposti su due assi in tandem e applicati su impronte di pneumatico di forma quadrata (0.40 m x 0.40 m).

- carichi uniformemente distribuiti

Nota: Poiché i carichi da traffico sono carichi mobili, essi sono posizionati in modo tale da ottenere gli effetti più sfavorevoli ai fini delle verifiche da eseguire

asse

asse

Azioni verticali da trafficoSchema di carico 1

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Carichi concentrati disposti su due assi in tandem

- sono unici per corsia convenzionale e vanno considerati per intero.

- nelle analisi globali (ad esempio, per la determinazione degli effetti sulle travi), ogni asse tandem deve essere assunto viaggiante centralmente lungo l’asse della corsia convenzionale.

- nelle analisi locali (ad esempio, per la determinazione degli effetti sulla soletta), due assi tandem di due corsie convenzionali vicine possono essere ravvicinati ma con una distanza tra gli assi non inferiore a 50 cm.

Carichi distribuiti- sono applicati solo nelle parti sfavorevoli della superficie d’influenza,

longitudinalmente e trasversalmente


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Legenda: w larghezza carreggiatawi larghezza corsia convenzionaleQik carico concentrato asse tandemqik carico distribuito

Azioni da trafficoSchema di carico 1

Nota: La corsia convenzionale che fornisce gli effetti più sfavorevoli per la verifica strutturale è etichettata con il numero 1, seguita dalla numero 2, ecc.

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Valori dei carichi concentrati e distribuiti dello schema di carico 1

Posizione Carico asse Qk[kN] qk[kN/m2]Corsia n°1 300 9.00Corsia n°2 200 2.50Corsia n°3 100 2.50

Altre corsie 0 2.50


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Schema di carico 2 –

E’ costituito da carichi concentrati disposti su un singolo asse e applicati su impronte di pneumatico di forma rettangolare (0.60 m x 0.35 m).E’ valido solo per verifiche locali e va considerato autonomamente con asse longitudinale nella posizione più gravosa.

Qualora sia più gravoso, si considera il peso di una singola

ruota di 200 kN.

2.00

0.35

0.60

Direzione dell’asse

longitudinale del ponte

200 kN

200 kN

Carico asse = 400 kN

200 kN

0.60

0.60 0.35

2.00

200 kN


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L’Eurocodice 1 stabilisce, che in prossimità di giunti di dilatazione debba essere considerato un coefficiente di amplificazione dinamica aggiuntivo pari a:

dove

D è la distanza in m della sezione trasversale in esame dal giunto di dilatazione


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Schema di carico 3 E’ costituito da un carico isolato di 150 kNcon impronta quadrata di lato 0.40 m.

150 kN

0.400.40

E’ valido per verifiche locali in marciapiedi non protetti da sicurvia.

(guardrail)


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Schema di carico 4 E’ costituito da un carico isolato di 10 kNcon impronta quadrata di lato 0.10 m.

10 kN

0.100.10

E’ valido per verifiche locali in marciapiedi protetti da sicurviae sulle passerelle pedonali.

(guardrail)


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Schema di carico 5 E’ costituito dalla folla compatta agente con intensità nominale -comprensiva degli effetti dinamici - di 5.0 kN/m2

(il valore di combinazione è di 2.5 kN/m2)Il carico folla deve essere applicato su tutte le zone significative della superficie d’influenza, inclusa l’aria dello spartitraffico centrale, ove pertinente.

1.001.00

q=5.00 kN/m²


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Schema di carico 6 – In assenza di studi specifici ed in alternativa al modello di carico 1, generalmente cautelativo, per opere di luce maggiore di 300 m, ai fini della statica complessiva del ponte, si può far riferimento ai carichi:

• qL,a = 128.95 ( 1 / L )0.25 [kN/m]• qL,b = 88.71 ( 1 / L )0.25 [kN/m]• qL,c = 77.21 ( 1 / L )0.25 [kN/m]

essendo L la lunghezza della zona caricata.qL,a il carico sulla corsia n.1

Sull’area rimanente si considera un carico distribuito di intensità 2.5 kN/m2. I carichi qL,a ,qL,b e qL,c si dispongono in asse alle rispettive corsie convenzionali.

qL,b il carico sulla corsia n.2 qL,c il carico sulla corsia n.3


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I carichi concentrati da considerarsi ai fini delle verifiche locali ed associati agli schemi 1, 2, 3 e 4 si assumono uniformemente distribuiti sulla superficie della rispettiva impronta.

La diffusione attraverso la pavimentazione e lo spessore della soletta si considera avvenga secondo un angolo di 45°, fino al piano medio della struttura della soletta sottostante. Nel caso di piastra ortotropa la diffusione va considerata fino al piano medio della lamiera superiore dell’impalcato.

Azioni variabili da trafficoVerifiche locali (solette, marciapiedi, ecc…)

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Azioni variabili da traffico(azione longitudinale di frenamento o di accelerazione)

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La forza di frenamento o di accelerazione è funzione del carico verticale totale agente sulla corsia convenzionale n.1

1K 1K 1180kN 0 6 2 0 10 900kN. ( Q ) . q W L≤ ⋅ + ⋅ ≤

La forza, applicata a livello della pavimentazione, ed agente lungo l’asse della corsia, è assunta uniformemente distribuita sulla lunghezza caricata.

Ⱶ Ponti stradali

dove :w1 è la larghezza della corsia convenzionale n.1 L è la lunghezza caricata

Azioni variabili da trafficoAzione longitudinale di frenamento o di accelerazione

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Azioni variabili da traffico(azione centrifuga)

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Nei ponti con asse curvo, l’azione centrifuga corrispondente ad ogni colonna di carico si valuta in funzione di Qv= Σ2Q1K. Il carico è applicato a livello della pavimentazione ad agisce in direzione normale all’asse del ponte. La forza è concentrata in una qualunque sezione trasversale dell’impalcato.

Raggio di curvatura R (m) Q4 (kN)

R < 200 0.2 Qv

200 ≤ R ≤ 1500 40 Qv/R

R ≥ 1500 0Qv= Σ2QiK = carico totale degli assi tandem dello schema di carico 1

Azioni variabili da trafficoAzione centrifuga

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COMBINAZIONE DELLE AZIONI VARIABILI DA TRAFFICO

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Ai fini della determinazione dei

valori caratteristici delle azioni dovute al trafficosi dovranno considerare alcune combinazioni.

Azioni variabili da trafficoCombinazioni di carico

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Carichi sulla carreggiataCarichi sui

marciapiedi e piste ciclabili

Carichi verticali Carichi orizzontali Carichi verticali

Gruppo di azioni

Modello principale (sch.

1, 2, 3, 4, 6)Veicoli speciali

Folla (schema di carico 5)

Forza di frenamento

Forza centrifuga

Carico uniformemente

distribuito

1 Valore caratteristico

Schema 5 con valore di comb.

2.5 kN/m2

2a Valore frequente

Valore caratter.

2b Valore frequente

Valore caratter.

3 [*]Schema 5 con

valore caratter. 5.0 kN/m2

4 [**]Schema 5 con valore caratt.

5.0 kN/m2

Schema 5 con valore caratter.

5.0 kN/m2

5 [***] da definirsi per progetto

Valore caratter.

[*] ponti pedonali[**] da considerare solo se richiesto dal particolare progetto (ad es. ponti in zona urbana)[***] da considerare solo se si considerano veicoli speciali

Azioni variabili da trafficoCombinazioni di carico

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condizione di massima azione verticale sulle sottostrutture

condizione di massima eccentricità sulle sottostrutture

corsia convenzionale

n.1 n.2 n.3

zona rimanente

schema n.5

Ponte di categoria 1

Azioni variabiliEsempi di disposizione del gruppo di azioni n.1

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Coefficiente EQU [1] STR GEO

Carichi permanenti favorevole γG10.90 1.00 1.00

sfavorevole 1.10 1.35 1.00Carichi permanenti non strutturali [2]

favorevole γG20.00 0.00 0.00

sfavorevole 1.50 1.50 1.30

Carichi variabili da traffico favorevole γQ0.00 0.00 0.00


Carichi variabili favorevole γQi0.00 0.00 0.00

sfavorevole 1.50 1.50 1.30Distorsioni e presollecitazionidi progetto

favorevole γε10.90 1.00 1.00

sfavorevole 1.00 [3] 1.00 [4] 1.00Ritiro e viscosità. Cedimenti vincolari

favorevole γε2, γε3, γε40.00 0.00 0.00


[1] Equilibrio che non coinvolga i parametri di deformabilità e resistenza del terreno; altrimenti si applicano i valori di GEO.

[2] Nel caso in cui i carichi permanenti non strutturali (ad es. carichi permanenti portati) siano compiutamente definiti si potranno adottare gli stessi coefficienti validi per le azioni permanenti.

[3] 1.30 per instabilità in strutture con precompressione esterna[4] 1.20 per effetti locali

AzioniCoefficienti parziali di sicurezza

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Azioni Gruppi di azioni ψ0 ψ1 ψ2

Azioni da traffico

Schema 1 (Carichi tandem) 0.75 0.75 0.00Schema 1, 5 e 6 (Car. distribuiti) 0.40 0.40 0.00

Schema 3 e 4 (Carichi concentr.) 0.40 0.40 0.00Schema 2 0.00 0.75 0.002 0.00 0.00 0.003 0.00 0.00 0.004 -- 0.75 0.005 0.00 0.00 0.00

VentoPonte scarico SLU e SLE 0.60 0.20 0.00Esecuzione 0.80 0.00 0.00

Ponte carico SLU e SLE 0.60 0.00 0.00

NeveSLU e SLE 0.00 0.00 0.00Esecuzione 0.80 0.60 0.50

Temperatura SLU e SLE 0.60 0.60 0.50

Azioni variabiliCoefficienti ψ per le azioni variabili per ponti

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AZIONI SU RILEVATI E TERRAPIENI

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Ai fini del calcolo delle spalle, dei muri d’ala e delle altre parti del ponte a contatto con il terreno, sul rilevato o sul terrapieno, si può considerare applicato lo schema di carico n.1 in cui, per semplicità, i carichi tandem possono essere sostituiti da carichi uniformemente distribuiti equivalenti, applicati su una superficie larga 3.0 m e lunga 2.20 m.

In un rilevato correttamente consolidato si può assumere una diffusione del carico di 30°.

Azioni variabili da trafficoRilevati e terrapieni adiacenti al ponte

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Per i muri paraghiaia si deve considerare un’azione longitudinale di frenamento, applicata alla testa del muro paraghiaia di valore caratteristico pari al 60% del carico asse Q.

Pertanto:

• in ponti stradali il carico orizzontale è di 180 kN concomitante con un carico verticale di 300 kN,

Azioni variabili da trafficoRilevati e terrapieni adiacenti al ponte

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AZIONI SUI PARAPETTI

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L’altezza dei parapetti non potrà essere inferiore a 1.10 m. I parapetti devono essere verificati sulla base di un’azione orizzontale di 1.5 kN/m applicata al corrimano.

1.5 kN/m

≥ 1.10 m

tratto da: NTC 2017

Azioni variabili da trafficoAzione sui parapetti

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AZIONI DA URTO

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Azioni dovute a:

Ͱ Collisioni da veicoliͰ Collisioni da imbarcazioniͰ Caduta di rocce o frane (non prese in esame nella normativa)

Azioni variabili Altre azioni (azioni idrauliche, urti di veicoli, ecc)

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Nelle verifiche si possono considerare, agenti non simultaneamente, due azioni nelle direzioni parallela (Fd,x) e ortogonale (Fd,y=0.50Fd,x) alla direzione di marcia normale.

Tipo di strada Tipo di veicolo Forza Fd,x [kN]autostrade, extraurbane - 1000

locali - 750urbane - 500

Aree di parcheggio e autorimesse

Automobili 50Veicoli destinati al trasporto di merci,

aventi massa massima superiore a 3.5 t 150

In assenza di determinazioni più accurate, si possono adottare le seguenti forze statiche equivalenti

Azioni da urtoUrti da traffico veicolare (sotto ponte)

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Per urti di automobili su strutture verticali, la forza di collisione deve essere applicata 0.50 m al di sopra della superficie di marcia.

L’area di applicazione è pari a 0.25 m (altezza) per il minimo tra 1.50 m e la larghezza della membratura (larghezza).

Per urti di camion su membrature verticali, la forza di collisione deve essere applicata a 1.25 m al di sopra della superficie di marcia.

L’area di applicazione è 0.50 m (altezza) per il minimo tra 1.50 m e la larghezza della membratura (larghezza)


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Nel caso di strutture orizzontali al di sopra della strada, la forza di collisione è applicata sulle superfici verticali ed è di intensità pari a r·Fd,x

Sull’intradosso si devono considerare gli stessi carichi ma con un’inclinazione di 10° verso l’alto. L’area di applicazione è di 0.25 m x 0.25 m.

dove r = 1 per altezza del sottovia fino a 5 m, decresce linearmente da 1.0 a 0 per altezze tra 5 e 6 m.


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Si può tener conto delle forze causate da collisioni accidentali attraverso una forza orizzontale equivalente di collisione H distribuita su una lunghezza di 0.50 m e di una forza verticale Qv.

Al fine di garantire il rispetto del requisito diresistenza meccanica e stabilita, si potranno utilizzare solo dispositivi di ritenuta stradale in possesso di idonea qualificazione aisensi della normativa comunitaria o nazionale applicabile.

Azioni da urtoUrti da traffico veicolare (sopra i ponti)

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In assenza di valutazioni particolari, il sistema di forze orizzontali può essere determinato con riferimento alla resistenza caratteristicadegli elementi strutturali principali coinvolti nel meccanismo d’insieme della barriera

dove h1= altezza della barriera – 0.10 m h2= 1.00 m.

Qv

100 mm

H 1 m H

Qv

La forza H deve essere considerata agente trasversalmente ed orizzontalmente, applicata dal piano viario alla minore delle altezze h1 ed h2

Per il dimensionamento dell’impalcato, le forze orizzontali così determinate devono essere amplificate di un fattore pari a 1.50.

Azioni da urtoUrti da traffico veicolare (sopra i ponti)

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Si possono considerare, agenti non simultaneamente, due azioni nelle direzioni parallela (Fd,x ) e ortogonale (Fd,y = 0.50Fd,x ) alla direzione del moto dell’imbarcazione. L’azione tangenziale dovuta all’attrito agente simultaneamente all’azione Fd,y vale Fr = 0.40Fd,y

Classe imbarcazione Lunghezza [m] Massa a pieno carico [t] Forza Fd,x [kN]

Piccola 50 3000 30000

Media 100 10000 80000

Grande 200 40000 240000

Molto grande 300 100000 460000

In assenza di determinazioni più accurate, le forze statiche equivalenti per imbarcazioni marittime sono date in tabella

Azioni da urtoUrti di imbarcazioni

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Nei porti le forze di collisione possono essere ridotte del 50 %.

Se L è la lunghezza dell’imbarcazione, in sede di progetto, il punto di impatto più sfavorevole può essere preso nell’intervallo compreso tra 0.05L sotto e 0.05L sopra il livello dell’acqua.L’area di impatto è di 0.05L in verticale e 0.1L in orizzontale.

Per imbarcazioni naviganti in acqua interne le forze statiche equivalenti possono essere ricavate sulla base di studi di comprovata validità.

Azioni da urtoUrti di imbarcazioni

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Principali riferimenti

Aggiornamento delle Norme Tecniche per le Costruzioni. D.M. 17 gennaio 2018 pubblicato sul Supplemento ordinario alla Gazzetta Ufficiale n. 42 del 20 febbraio 2018 - Serie generale

Istruzioni per l’applicazione dell’«Aggiornamento delle Norme tecniche per le costruzioni» di cui al decreto ministeriale 17 gennaio 2018. Circolare 21 gennaio 2019 n. 7 del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici pubblicata sul Supplemento ordinario alla Gazzetta Ufficiale n. 35 del 11 febbraio 2019 - Serie generale

Calgaro J.A., M. Tschumi, Gulvanessian H. Designer’s Guide to Eurocode 1: Actions on bridges. EN 1991-2, EN 1991-1-1,-1-3 to -1-7 and EN 1990 Annex A2 2010 Editore Thomas Telford ISBN: 978-0-7277-3158-6

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FINE

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