A bridge made of composite plastic tubes and concrete for a basic road network

The present thesis work takes advantage of the opportunity of a stage, at ISC, a French engineering firm. This company, whose field includes Africa, develops new structural design processes, to adapt to the local context. Hence, the present work aims at developing such a process for a footbridge. Starting from a blank page, requirements include durability of the material, low environmental and economic impact of the structure, simplicity of the process. To fulfil them, the structure shall be light, requiring manhandling elements and no lifting machine. These specifications open two main inter-dependant fields of prospects: the static scheme and the material. The thesis follows the path opened by a first design attempt made by ISC: a reinforced concrete bridge, cast in PVC tubes. Taking account achievements and limitations of the experience, this thesis develops and expands this intuition, enlarging the use of PVC. First, a different static scheme, that fits better the particularities of PVC, is chosen. The nature of a piping system offers its modularity and container ability, whose interest is weighted in the project framework. Then, despite the proven interest of PVC for piping systems, the main obstacle to use it in civil engineering is the lack of knowledge the sector has about the mechanical abilities of PVC. Therefore, it is necessary to investigate its types, its modes of production, its characteristics, its reference codes and its structural behaviour of this plastic. Its principal semi-finished derivatives, tubes and fittings, are analysed in terms of geometry and possible implementation. Once the useful equipment has been presented, several attempts are made before designing the footbridge. Among them, a scale model is realized, to experience and improve the static scheme. Loading test is led and analysed. It helps assessing the structural abilities of PVC piping systems. To find a correct shape, the study has reaped huge benefits from the use of a parametric algorithm, Grasshopper, combined to a 3D software, Rhinoceros. After parameters are determined, a complete algorithm has been written to model the geometry of the footbridge, and convert it into finite elements thanks to the use of Karamba. Once the model validated, the works are sequenced. An integral PVC skeleton, supported by a metallic cable, is built. Reinforcement is disposed before is filled with concrete. The model is calculated under different load cases. Peculiarities of realization are pursued to the very detail of execution studies and normative verifications to European standards. Originality resides in the structural role given to PVC tubes during concreting phase. This thesis concludes as a matter of fact with the delivery of a ready-to-built footbridge.

Il presente lavoro di tesi si avvale della possibilità di uno stage, da ISC, una studio di ingegneria francese. La società, sempre più presente in Africa, sviluppa nuovi processi di progettazione strutturale, per adattarsi al contesto locale. Il presente lavoro si propone di sviluppare un tale processo per una passerella. Partendo da una pagina vuota, requisiti includono la durabilità del materiale, il basso impatto ambientale ed economico della struttura, la semplicità del processo. Per soddisfarle, la struttura deve essere leggera, non richiedere macchine di sollevamento e comportare solo elementi sufficientemente leggeri per essere trasportati a mano. Queste specifiche aprono due principali campi interdipendenti di prospettive: lo schema statico e il materiale. La tesi segue la strada aperta da un primo tentativo di design fatto da ISC: un ponte in cemento armato, gettato in tubi in PVC. Prendendo in conto i risultati e le limitazioni di questa esperienza, questa tesi sviluppa e espande questa intuizione, ampliando l'uso del PVC. In primo luogo, uno schema statico differente, che si adatta meglio le peculiarità del PVC, viene scelto. La natura di un sistema di tubazioni offre la sua capacità di modularità e di contenitore, il cui interesse è ponderato nel quadro del progetto. Poi, nonostante il provato interesse del PVC per i sistemi di tubazioni, il principale ostacolo per utilizzarlo in ingegneria civile è la mancanza di conoscenza che il settore ha delle sue capacità meccaniche. Pertanto, è necessario analizzare i suoi tipi, i suoi modi di produzione, le sue caratteristiche, i suoi codici di riferimento e il suo comportamento strutturale di questo materiale plastico. I principali semilavorati derivati, tubi e raccordi, vengono analizzati in termini di geometria e di possibile attuazione. Una volta l'attrezzatura utile presentata, diversi tentativi sono fatti prima di progettare la passerella. Tra questi, un modello in scala è realizzato, per sperimentare e migliorare lo schema statico. Carico di prova è guidato e analizzato: aiuta a valutare le capacità strutturali dei sistemi di tubazioni in PVC. Per trovare una forma corretta, lo studio ha raccolto enormi benefici dall'uso di un algoritmo parametrico, Grasshopper, combinato ad un software 3D, Rhinoceros. Una volta i parametri determinati, un algoritmo completo è scritto per modellare la geometria della passerella, e convertirlo in elementi finiti grazie all'utilizzo di Karamba. Poi, dopo la convalidazione del modello, le diverse fasi dei lavori sono determinate. Uno scheletro integrale in PVC, sostenuta da un cavo metallico, è costruito. Rinforzo è disposto prima del getto, e riempito con calcestruzzo. Il modello viene calcolato in diverse condizioni di carico. Peculiarità di realizzazione sono perseguiti fino agli dettagli di studi di esecuzione e alle verifiche normative agli standard europei. L'originalità risiede nel ruolo strutturale dato a tubi in PVC durante la fase di getto. Questa tesi si conclude con il rilascio di una passerella finalizzata. Il presente lavoro di tesi si avvale della possibilità di uno stage, svoltosi presso lo studio di ingegneria francese ISC. La società, inserita nel contesto di sviluppo dei paesi del continente africano, rivolge la sua attenzione a progetti nuove strutture che si adattino al contesto locale di riferimento. Il presente lavoro, inserendosi in tale contesto, si propone dunque di studiare una passerella pedonale. Una prima fase è rivolta allo studio dei requisiti quali la durabilità del materiale, il basso impatto ambientale ed economico della struttura, la semplicità del processo di costruzione. Al fine di soddisfare questi criteri, la struttura scelta dovrà essere leggera e composta da soli elementi sufficientemente leggeri per essere trasportati a mano, in modo tale da non richiedere opportune macchine di sollevamento. Tali specifiche aprono lo studio a due principali campi interconnessi tra loro: lo schema statico e il materiale. La Tesi prende spunto inizialmente da un tentativo di nuovo design progettato da ISC: un ponte in cemento armato, gettato mediante tubi in PVC. Considerando in conto i risultati e le limitazioni di questa nuova idea, il lavoro si sviluppa e espande, ampliando l'utilizzo del PVC come materiale strutturale. In primo luogo viene scelto uno schema statico differente, che si adatti meglio alle peculiarità del PVC. In particolare, la natura del sistema di tubazioni manifesta ottime capacità in termini sia di modularità e sia di involucro, il cui relativo interesse è messo in luce nel contesto del progetto. Nonostante l'interesse del PVC per i sistemi di tubazioni, la principale difficoltà che si manifesta nel campo dell'ingegneria civile riguarda la mancanza di conoscenza che il settore ha nei confronti delle sue capacità meccaniche. Pertanto, è stato necessario analizzare le diverse tipologie di PVC attualmente in uso, i modi di produzione, le caratteristiche fisiche e meccaniche, così come le normative di riferimento e il suo comportamento strutturale. I principali semilavorati di derivazione, come tubi e raccordi, vengono analizzati dal punto di vista della geometria e della possibilità di attuazione. Presentato il materiale e i suoi prodotti a disposizione, diversi tentativi relativi allo schema statico sono fatti prima di progettare la passerella. Tra questi occorre citare il modello in scala realizzato ad hoc per sperimentare e migliorare lo schema statico. Eseguendo una prova di carico è stato inoltre possibile valutare le capacità strutturali dei sistemi di tubazioni in PVC. Per definire una forma geometrica appropriata, in questo lavoro si è ricorso all'utilizzo di un software Grasshopper basato su un algoritmo parametrico. Una volta determinati i parametri, all'interno del software utlizzato è stato possibile scrivere un algoritmo per modellare la geometria della passerella e successivamente convertirlo in elementi finiti. Infine l'analisi strutturale è stata eseguita mediante l'utilizzo del programma Karamba. Dopo la validazione del modello, si sono studiate e verificate le diverse fasi del progetto della passerella. Si definisce uno scheletro integrale in PVC, sostenuto da un cavo metallico. Prima del getto viene disposto il rinforzo e riempito con calcestruzzo. Il modello viene analizzato sotto diverse condizioni di carico. Vengono infine definiti i dettagli costruttivi e vengono eseguite le verifiche nin accordo agli standard europei. L'originalità del lavoro risiede nel ruolo strutturale dato a tubi in PVC durante la fase di getto e nella definizione di u progetto di una passerella finalizzata alla sua reale applicazione in paesi in via di sviluppo.