Il ponte ad arco
Dopo più di 2.000 anni di uso architettonico, l’arco continua ad avere un ruolo di primo piano nei progetti di ponti e con buona ragione: la sua struttura semicircolare distribuisce elegantemente la compressione attraverso la sua intera forma e devia il peso sui suoi due pilastri, i componenti del ponte che assumono direttamente la pressione.
La forza tensionale nei ponti ad arco, d’altra parte è praticamente trascurabile. La curva naturale dell’arco e la sua capacità di dissipare la forza verso l’esterno riduce notevolmente gli effetti della tensione sul lato inferiore dell’arco.
Ma come per le travi e le capriate, anche il potente arco non può superare la fisica per sempre. Maggiore è il grado di curvatura (più grande è il semicerchio dell’arco), maggiori sono gli effetti della tensione sul lato inferiore del ponte. Costruisci un arco abbastanza grande, e la tensione alla fine supererà la forza naturale della struttura di supporto.
Mentre c’è una discreta varietà estetica nella costruzione dei ponti ad arco, la struttura di base non cambia. Ci sono, per esempio, archi romani, barocchi e rinascimentali, tutti architettonicamente diversi ma strutturalmente uguali.
È l’arco stesso che dà la sua forza al ponte omonimo. Infatti, un arco fatto di pietra non ha nemmeno bisogno di malta. Gli antichi romani costruivano ponti ad arco e acquedotti che sono ancora in piedi oggi. La parte difficile, tuttavia, è la costruzione dell’arco, poiché le due parti convergenti della struttura non hanno integrità strutturale finché non si incontrano nel mezzo. Come tale, sono tipicamente necessarie impalcature o sistemi di supporto aggiuntivi.
I materiali moderni come l’acciaio e il cemento armato precompresso ci permettono di costruire archi molto più grandi di quanto facessero gli antichi romani. Gli archi moderni hanno in genere una portata compresa tra i 200 e gli 800 piedi (61 e 244 metri), ma il New River Gorge Bridge della West Virginia misura un impressionante 1.700 piedi (518 metri)
Il ponte sospeso
Come dice il nome, i ponti sospesi, come il Golden Gate Bridge o il ponte di Brooklyn, sospendono la strada con cavi, corde o catene da due alte torri. Queste torri sostengono la maggior parte del peso mentre la compressione spinge verso il basso sul ponte sospeso e poi viaggia su per i cavi, corde o catene per trasferire la compressione alle torri. Le torri poi dissipano la compressione direttamente nella terra.
I cavi di sostegno, d’altra parte, ricevono le forze di tensione del ponte. Questi cavi corrono orizzontalmente tra i due ancoraggi lontani. Gli ancoraggi del ponte sono essenzialmente roccia solida o massicci blocchi di cemento in cui il ponte è messo a terra. La forza di tensione passa agli ancoraggi e nel terreno.
Oltre ai cavi, quasi tutti i ponti sospesi hanno un sistema di capriate di supporto sotto la copertura del ponte chiamato capriata. Questo aiuta a irrigidire il ponte e a ridurre la tendenza della carreggiata a oscillare e incresparsi.
I ponti sospesi possono facilmente attraversare distanze tra i 2.000 e i 7.000 piedi (610 e 2.134 metri), permettendo loro di coprire distanze oltre la portata di altri progetti di ponti. Data la complessità del loro design e i materiali necessari per costruirli, tuttavia, sono spesso l’opzione di ponte più costosa.
Ma non tutti i ponti sospesi sono una meraviglia ingegneristica di acciaio moderno. Infatti, i primi erano fatti di erba intrecciata. Quando i conquistadores spagnoli si fecero strada in Perù nel 1532, scoprirono un impero Inca collegato da centinaia di ponti sospesi, raggiungendo campate di più di 150 piedi (46 metri) attraverso profonde gole di montagna. L’Europa, d’altra parte, non avrebbe visto il suo primo ponte sospeso fino a quasi 300 anni dopo
Ovviamente, i ponti sospesi fatti di erba intrecciata non durano così a lungo, richiedendo continue sostituzioni per garantire un viaggio sicuro attraverso lo spazio. Oggi, rimane solo un ponte di questo tipo, che misura 90 piedi (27 metri) nelle Ande.
Ponte strallato
A prima vista, il ponte strallato può sembrare solo una variante del ponte sospeso, ma non lasciatevi ingannare dalle loro torri simili e dalle carreggiate sospese. I ponti strallati differiscono dai loro predecessori a sospensione in quanto non richiedono ancoraggi, né due torri. Invece, i cavi corrono dalla carreggiata fino ad una singola torre che da sola sopporta il peso.
La torre di un ponte strallato ha il compito di assorbire e gestire le forze di compressione. I cavi si attaccano alla carreggiata in vari modi. Per esempio, in uno schema radiale, i cavi si estendono da diversi punti sulla strada ad un singolo punto della torre, come numerose lenze attaccate ad un singolo palo. In uno schema parallelo, i cavi si attaccano sia alla carreggiata che alla torre in diversi punti separati.
Gli ingegneri hanno costruito i primi ponti strallati in Europa dopo la fine della seconda guerra mondiale, ma il progetto di base risale al 16° secolo e all’inventore croato Faust Vrancic. Contemporaneo degli astronomi Tycho Brache e Johannes Kepler, Vrancic produsse il primo schizzo conosciuto di un ponte strallato nel suo libro “Machinae Novae.”
Oggi, i ponti strallati sono una scelta popolare perché offrono tutti i vantaggi di un ponte sospeso ma ad un costo inferiore per campate da 500 a 2.800 piedi (152 a 853 metri). Richiedono meno cavi d’acciaio, sono più veloci da costruire e incorporano più sezioni di calcestruzzo prefabbricato.
Non tutti i ponti richiedono però grandi quantità di acciaio e cemento. A volte una radice d’albero o due faranno il trucco.
I ponti viventi
Mentre i primi ponti non erano altro che tronchi rovesciati sui ruscelli, la maggior parte dell’eredità dell’umanità nella costruzione di ponti è una storia di strutture artificiali costruite con gli elementi. Possiamo trovare, tuttavia, una delle eccezioni più sorprendenti a questa regola nella regione di Meghalaya, nel nord dell’India.
Durante la stagione dei monsoni, la gente del posto sopporta alcune delle condizioni più umide della Terra, e le acque in aumento tagliano la terra in frammenti isolati. Costruisci un ponte con viti intrecciate o tavole sbozzate e l’umidità della foresta pluviale lo trasformerà inevitabilmente in compost. Come si può vedere dalla foto, la popolazione locale ha sviluppato una soluzione piuttosto elegante al problema: fanno crescere i loro ponti con la vegetazione naturale. In questo modo, essi trasferiscono gran parte dei compiti di manutenzione del ponte al ponte stesso.
Costruire un ponte vivente richiede pazienza, naturalmente. Gli abitanti dei villaggi locali pianificano le loro costruzioni con un decennio o più di anticipo. I War-Khasis, per esempio, creano sistemi di guida delle radici dalle metà scavate di vecchi tronchi di betel nut per dirigere le radici dei fichi strangolatori nella direzione desiderata. Semplicemente dirigono le radici sopra un ruscello o un fiume, attraversandolo, e permettono alle radici di immergersi nella terra solo sulla riva opposta. I ponti viventi più grandi vantano lunghezze fino a 100 piedi (30 metri), possono sopportare il peso di 50 persone e possono durare fino a 500 anni
Finora abbiamo toccato le due forze più importanti nella progettazione dei ponti: compressione e tensione. Ma dozzine di forze aggiuntive influenzano anche il modo in cui i ponti funzionano. Queste forze sono di solito specifiche di un particolare luogo o progetto.
La torsione, per esempio, è una particolare preoccupazione per gli ingegneri che progettano ponti sospesi. Si verifica quando il vento forte fa sì che la carreggiata sospesa ruoti e si attorcigli come un’onda che rotola. Come esploreremo nella prossima pagina, il Tacoma Narrows Bridge di Washington ha subito danni da torsione, che era, a sua volta, causata da un’altra potente forza fisica
La forma naturale dei ponti ad arco e la struttura a capriate dei ponti a trave li protegge da questa forza. Gli ingegneri dei ponti sospesi, d’altra parte, si sono rivolti a capriate di irrigidimento del ponte che, come nel caso dei ponti a trave, eliminano efficacemente gli effetti della torsione.
Nei ponti sospesi di lunghezza estrema, tuttavia, la capriata del ponte da sola non è una protezione sufficiente. Gli ingegneri conducono prove nella galleria del vento su modelli per determinare la resistenza del ponte ai movimenti di torsione. Armati di questi dati, impiegano strutture a capriate aerodinamiche e cavi di sospensione diagonali per mitigare gli effetti della torsione.
Sollecitazione di taglio: Lo sforzo di taglio si verifica quando due strutture fissate (o due parti di una singola struttura) sono forzate in direzioni opposte. Se lasciata incontrollata, la forza di taglio può letteralmente strappare i materiali del ponte a metà. Un semplice esempio di forza di taglio sarebbe quello di conficcare un lungo paletto a metà strada nel terreno e poi applicare una forza laterale contro il lato della parte superiore del paletto. Con una pressione sufficiente, sareste in grado di spezzare il paletto a metà. Questa è la forza di taglio in azione.
Altre forze del ponte: Risonanza
Puoi pensare alla risonanza come all’equivalente vibrazionale di una palla di neve che rotola giù per una collina e diventa una valanga. Inizia come uno stimolo relativamente piccolo e periodico di un sistema meccanico, come il vento che colpisce un ponte. Queste vibrazioni, tuttavia, sono più o meno in armonia con le vibrazioni naturali del ponte. Se non controllata, la vibrazione può aumentare drasticamente, inviando vibrazioni distruttive e risonanti che viaggiano attraverso un ponte sotto forma di onde torsionali.
L’esempio più degno di nota di risonanza si è verificato nel 1940, quando le vibrazioni risonanti hanno distrutto il Tacoma Narrows Bridge a Washington. L’incidente fu particolarmente scioccante all’epoca, perché la struttura era stata progettata per resistere a venti fino a 120 miglia (193 chilometri) all’ora e crollò con un vento di sole 40 miglia (64 chilometri).
Un attento esame della situazione suggerì che la capriata di irrigidimento del ponte era insufficiente per la campata, ma questo da solo non poteva far cadere una struttura del genere. Come si è scoperto, il vento quel giorno aveva la velocità giusta e colpiva il ponte con l’angolo giusto per far partire la vibrazione mortale. I venti continui aumentarono le vibrazioni finché le onde divennero così grandi e violente che fecero crollare il ponte. L’effetto è simile a quello di una cantante che frantuma un vetro con la sua voce.
Il vento non è l’unica minaccia potenziale, comunque. Quando un esercito marcia attraverso un ponte, i soldati spesso “rompono il passo” in modo che la loro marcia ritmica non inizi a risuonare in tutto il ponte. Un esercito sufficientemente grande che marcia alla giusta cadenza potrebbe mettere in moto la vibrazione mortale.
Per mitigare completamente l’effetto di risonanza in un ponte, gli ingegneri incorporano smorzatori nel design del ponte per interrompere le onde risonanti e impedire loro di crescere.
Un altro modo per fermare la risonanza è darle meno spazio per scatenarsi. Se un ponte vanta una carreggiata solida, allora un’onda risonante può facilmente viaggiare per tutta la lunghezza del ponte e portare scompiglio. Ma se la carreggiata di un ponte è composta da diverse sezioni con piastre sovrapposte, allora il movimento di una sezione si trasferisce semplicemente all’altra attraverso le piastre, generando attrito. Il trucco è creare abbastanza attrito da cambiare la frequenza dell’onda risonante. Cambiare la frequenza impedisce all’onda di formarsi.
Meteo, distruttore di ponti
Mentre il vento può certamente indurre onde di risonanza distruttive, il tempo nel suo complesso scatena una serie di assalti distruttivi sui ponti che costruiamo. Infatti, l’incessante lavoro di pioggia, ghiaccio, vento e sale farà inevitabilmente crollare qualsiasi ponte che l’uomo possa erigere.
I progettisti di ponti hanno imparato il loro mestiere studiando i fallimenti del passato. Il ferro ha sostituito il legno e l’acciaio ha sostituito il ferro. Il calcestruzzo precompresso gioca ora un ruolo vitale nella costruzione di ponti autostradali. Ogni nuovo materiale o tecnica di progettazione si basa sulle lezioni del passato. Torsione, risonanza e cattiva progettazione aerodinamica hanno tutti portato a fallimenti di ponti, ma gli ingegneri si riprendono continuamente con innovazioni per risolvere i problemi di progettazione.
Il tempo, tuttavia, è un avversario paziente e imprevedibile. I casi di fallimento dei ponti legati al tempo tendono a superare quelli dei fallimenti legati alla progettazione. Questa tendenza può solo suggerire che dobbiamo ancora trovare una soluzione efficace. Ad oggi, nessun materiale da costruzione specifico o design del ponte può eliminare o anche solo mitigare queste forze. Dopo tutto, stiamo parlando delle stesse forze che degradano intere catene montuose e forgiano profonde voragini nella terra. In confronto, un ponte costruito dall’uomo non è niente.
Come per gli antichi ponti sospesi degli Inca, l’unico deterrente è la continua manutenzione preventiva.
Supera lo spazio tra questa pagina e la prossima per scoprire ancora di più sui ponti.
Fonti
- Blockley, David. “Ponti” Oxford University Press. 2010.
- “Costruire un ponte”. NOVA. Ottobre 2000. (17 maggio 2011)http://www.pbs.org/wgbh/nova/bridge/build.html
- Foer, Joshua. “L’ultimo ponte d’erba inca”. Slate. 22 febbraio 2011. (17 maggio 2011)http://www.slate.com/id/2286002/
- Merchant, Brian. “I ponti viventi in India sono cresciuti per 500 anni”. TreeHugger.com. 28 settembre 2010. (17 maggio 2011)http://www.treehugger.com/files/2010/09/living-bridges-india-grown-500-years-pics.php
- “Fiumi.” Pianeta umano Explorer. 2011 (17 maggio 2011)http://www.bbc.co.uk/nature/humanplanetexplorer/environments/rivers
- Wilford, John Noble. “Come gli Inca hanno saltato i canyon”. New York Times. 8 maggio 2007. (17 maggio 2011)http://www.nytimes.com/2007/05/08/science/08bridg.html