Gli storici dei ponti e i primi libri di testo generalmente chiamano una capriata con diagonali alternate di compressione e tensione una Warren; tuttavia, a volte è chiamata una capriata equilatera poiché tutte le lunghezze dei pannelli e le diagonali sono di uguale lunghezza creando una serie di triangoli equilateri. Quando le lunghezze dei pannelli sono più corte delle diagonali di uguale lunghezza, a volte viene chiamata capriata isoscele o isometrica.
Figura 1. Quando la lunghezza della campata aumenta e l’altezza della capriata aumenta necessariamente, i lunghi membri di compressione nella corda superiore hanno bisogno di controventi per minimizzare l’instabilità nella direzione verticale. In questo caso, le verticali sono posizionate dai punti del pannello della corda inferiore fino al punto medio del membro della corda direttamente sopra. Inoltre, le travi della struttura dell’impalcato diventano più lunghe e richiedono membri più pesanti o l’aggiunta di verticali dai punti più alti dei pannelli delle corde che scendono verso il basso per accorciare la lunghezza dei pannelli.
Figura 2. Warren Truss con verticali per sostenere la struttura della corda superiore e del ponte.
Nessuno di questi stili di capriata è quello che James Warren e Willoughby Monzani brevettarono nel 1848 in Inghilterra. Hanno basato il loro brevetto su capriate simili che sono state costruite in Francia da Alfred H. Neville e un brevetto che è stato concesso in Inghilterra a William Nash nel 1839 su un design simile. Warren e Monzani erano noti ingegneri inglesi, e il loro progetto era per una capriata che poteva essere usata come ponte o capriata passante. Usarono ghisa per la corda superiore, e diagonali e barre e collegamenti in ferro battuto per i membri della corda inferiore. I membri in ghisa della corda superiore erano collegati attraverso blocchi di giunzione in ghisa, e le diagonali in ghisa e i membri in ferro battuto della corda inferiore erano collegati con dei perni. Il titolo della domanda di brevetto era Construction of Bridges and Aqueducts e fu rilasciato il 15 agosto 1848 con Patent #12,242. Il loro profilo era rettangolare. Anche se Squire Whipple negli Stati Uniti aveva pubblicato il metodo per determinare i carichi nei membri della capriata sotto carichi uniformi e variabili, questo metodo non era arrivato in Inghilterra. Fu solo nel 1850 che W. B. Blood sviluppò un metodo per analizzare le capriate triangolari, come aveva fatto Whipple.
Figura 3. Disegno del brevetto di Warren e Monzani che mostra il ponte ad entrambi i livelli.
Il brevetto di Warren e Monzani dichiarava,
La specifica di questa invenzione mostra quattro diversi modi di costruire ponti, che si afferma possano, con alcune leggere modifiche, essere applicate alla costruzione di acquedotti e coperture.
1) Il ponte è costruito con fasce laterali in ghisa, aste o piastre, inclinate l’una verso l’altra, e combinate in modo da formare una serie di Vandykes . Sono imbullonati in alto alle aste di compressione orizzontali, e in basso alle aste di tensione orizzontali, e portano una carreggiata in alto o in basso, o in entrambi.
2) Oppure il ponte può essere costruito con telai angolari laterali in ghisa (posti con gli apici verso il basso), che hanno le loro basi imbullonate insieme, fine a fine, e i loro apici imbullonati alle aste orizzontali.
3) Oppure, invece dei precedenti modi di costruzione longitudinale, possono essere impiegati telai trasversali cavi in ghisa, che sono inclinati e imbullonati insieme in alto, e sono analogamente attaccati in basso ad aste orizzontali, barre o piastre.
4) Oppure i tiranti in ferro battuto possono essere imbullonati in alto alle aste di compressione, e in basso tenuti insieme dal lato delle travi di legno, e la struttura rafforzata per mezzo di tiranti. Gli angoli delle piastre sono regolati da tiranti longitudinali e dadi.
È chiaro che non hanno dimensionato i loro membri o dato dettagli sul carico, sia di tensione che di compressione nelle loro diagonali. Non ha nemmeno pensato ai suoi membri web come triangoli, ma solo collegato VanDykes (V) tra un membro di compressione in alto e un membro di tensione in basso. Avevano quattro rivendicazioni come segue,
1) Il modo di costruire ponti, acquedotti, o coperture con aste di ferro, barre, o piastre, inclinate l’una verso l’altra, e collegate insieme in cima da una banda di compressione, e in fondo da una banda di tensione, in modo da portare una strada in cima o in fondo, o in entrambi.
2) Il modo di costruire ponti con telai angolari di ferro imbullonati insieme alle loro basi, e avendo i loro apici imbullonati a barre di compressione orizzontale.
3) Il modo di costruire ponti con telai cavi trasversali in ghisa inclinati l’uno verso l’altro, e imbullonati insieme in alto e in basso a piastre orizzontali.
4) Il modo di costruire ponti con aste in ferro battuto inclinate l’una verso l’altra, e attaccate in alto e in basso, come descritto.
Sembra che la loro unica pretesa di originalità fosse nell’uso di triangoli con corde di compressione superiori e corde di tensione inferiori. Il primo grande ponte, costruito da Joseph Cubitt nel 1852 più o meno secondo il brevetto, fu il Newark Dyke Railroad Bridge della Great Northern Railroad. In esso usò diagonali alternate di compressione e tensione in ghisa con corde superiori in ghisa e collegamenti in ferro battuto per la corda inferiore. Nel pannello centrale aveva membri opposti in ghisa.
Figura 4. Newark Dyke Bridge, struttura ad A in ghisa sul pilastro.
Il ponte attraversava il Dyke in un angolo acuto, richiedendo una campata di 240 piedi e 6 pollici. Cubitt disse che il progetto di Warren gli fu portato da C. H. Wild. Egli scrisse:
Ogni trave consiste in un tubo superiore, o puntone di ghisa, e una cravatta inferiore di collegamenti in ferro battuto, collegati insieme da puntoni diagonali alternati e cravatte rispettivamente di ghisa e ferro battuto, dividendo l’intera lunghezza in una serie di triangoli equilateri, di 18 piedi e 6 pollici di lato.
Queste travi poggiano sugli apici di telai ad A in ghisa, posti sulla muratura delle spalle (Figura 4). Ogni coppia è collegata da una controventatura orizzontale in alto e in basso, lasciando una larghezza libera di 13 piedi per il passaggio dei treni…
Le capriate sono disposte in modo tale che tutti gli sforzi di compressione sono presi dalla ghisa, e tutti gli sforzi di trazione dal ferro battuto; gli sforzi, in tutti i casi, nel senso della lunghezza sono delle rispettive parti, e tutti gli sforzi trasversali sono evitati. Le parti sono così proporzionate, che quando sono caricate con un peso pari a una tonnellata per piede di corsa, che supera considerevolmente il peso di un treno delle più pesanti locomotive in uso sulla Great Northern, o su qualsiasi linea a scartamento ridotto, nessuna tensione di trazione o compressione su qualsiasi parte supera le cinque tonnellate per pollice quadrato di sezione.
È chiaro che nel 1852 Wild aveva preso la configurazione di Warren e, applicando il metodo di analisi di Blood, aveva calcolato il carico in ogni membro in modo che potesse essere proporzionato correttamente. Una vista finale del ponte mostrava, tuttavia, l’enormità delle membrature che era tipica della progettazione dei ponti inglesi ed europei dell’epoca. Col tempo, lo stile del ponte fu convertito a tutto ferro battuto con membri rivettati costruiti.
Figura 5. Vista finale di una delle due campate parallele di Newark Dyke. Si noti la massività dei membri in ghisa così come le verticali per sostenere l’impalcato nei punti centrali dei pannelli.
Negli Stati Uniti, il progetto Warren/Wild/Cubit era conosciuto dai nostri ingegneri. Molti di loro erano abbonati ai Proceedings of the Institution of Civil Engineers dove Cubitt aveva pubblicato il suo articolo. Prima del 1848, Whipple aveva progettato e costruito simili capriate sulla New York and Erie Railroad e le discusse nel suo libro del 1846/47 sui ponti. Egli incluse il piano mostrato nella Figura 6.
Figura 6. Piano di Whipple per un ponte simile al Warren Plan con pali inclinati.
Non solo progettò questa campata, ma ne costruì diverse per la New York and Erie Railroad nel 1848, lo stesso anno in cui Warren ottenne il suo brevetto in Inghilterra.
Figura 7. Whipple’s Brandywine Creek Bridge, New York and Erie Railroad, 1848.
In un articolo su Appleton’s Magazine and Engineers Journal nel gennaio 1851, descrisse alcuni dei suoi ponti di New York e Erie e scrisse,
Queste erano travi a scheletro in ferro battuto su un piano triangolare, come da allora sono state chiamate le travi di Warren, e da alcuni considerate come una nuova combinazione inventata. Ma esse sono semplicemente capriate con corde e diagonali parallele, o piuttosto, membri obliqui, con una sola serie di obliqui, e senza verticali, tranne che per concentrare il peso sugli obliqui da punti intermedi lungo la corda superiore o inferiore, a seconda che la trave sia caricata su tale corda superiore o inferiore.
Whipple non pensava che ci fosse qualcosa di nuovo in ciò che veniva chiamato Warren Truss. Infatti, nel suo libro del 1846/47 scrisse di capriate senza verticali. La chiamava una “capriata cancellata che fa a meno dei pezzi verticali, eccetto forse alle estremità, o ai primi punti di appoggio dalle estremità”. Trovò, infatti, che una capriata, la sua trapezoidale senza verticali, usava l’8% di ferro in meno.
Figura 8. Whipple Plan 1846 ma gli storici del ponte lo chiamano Double Warren Truss.
Diverse capriate che furono brevettate negli Stati Uniti incorporavano le diagonali alternate di tensione e compressione associate al Warren Truss. La prima fu una capriata rettangolare in legno e ferro di A. D. Briggs nel 1858 (#20,987) seguita da Alber Fink nel 1867 (#62,714) con una combinazione di legno e ferro trapezoidale con triangoli equilateri con verticali che scendono a sostenere il ponte nei punti centrali del pannello. Scrisse: “Adotto il sistema triangolare di controventatura tra le due corde, sia perché questo sistema evita meglio i mali derivanti dall’espansione ineguale di una corda inferiore in ferro battuto e una superiore in legno, sia perché è il sistema di controventatura che ha la minor quantità di materiale per una forza uguale a quella di altri sistemi”. Nello stesso anno, J. Dutton Steele (#63,666) ricevette un brevetto per una capriata isometrica. Li costruiva dal 1863 e lo chiamava piano isometrico, in quanto le diagonali erano di uguale lunghezza con una lunghezza del pannello più corta. Fece scrivere a Charles Macdonald una lunga relazione che confrontava tutti i progetti di ponti standard, compresi i tralicci Pratt, Howe, Whipple e Warren. Macdonald concluse che l’unico risparmio di costi in un ponte a travata è nei membri dell’anima, dato che i requisiti della corda superiore e inferiore erano gli stessi per la maggior parte dei ponti. Per una campata standard di 165 piedi, ha determinato che la capriata Howe ha bisogno del 54% in più di ferro nell’anima e la Pratt ha bisogno del 31% in più di ferro rispetto alla capriata isometrica. Poi confronta la capriata isometrica con la capriata a doppia intersezione di Linville e determina che la capriata isometrica usa il 19% in meno di ferro nell’anima. Presenta i risultati di uno studio di C. Shaler Smith del 1865 dove ha confrontato le capriate Fink, Bollman, Triangolare (Warren) e Murphy. Smith determinò che la Triangolare e la Murphy erano più efficienti delle capriate Fink o Bollman sia per le capriate passanti che per quelle a ponte. La sua conclusione affermava che la capriata isometrica richiedeva meno ferro nel sistema dell’anima rispetto a qualsiasi altra capriata considerata. Inoltre, trovò che la capriata isometrica era, specialmente nel legno, molto più facile da regolare in caso di ritiro del legno.
Figura 9. Disegno del brevetto di J. Dutton Steele per un piano isometrico.
Nel 1872, Whipple, in un articolo nelle Transazioni ASCE intitolato “On Truss Bridge Building”, scrisse che aveva delle obiezioni al pamphlet di Macdonald e a come egli usava la capriata Whipple a doppia intersezione nel suo confronto, affermando: “Ora, il signor Macdonald rappresenta ciò che egli designa come la ‘capriata di Whipple’, con diagonali che inclinano solo 30° dalla verticale. Desidero qui inserire la mia enfatica protesta contro l’imputazione di aver mai tollerato una tale pratica”. Poi entrò nella capriata isometrica (e nello stile Warren), scrivendo:
Ma che dire dell’isometrico? Il nome, almeno, come applicato alle capriate da ponte, è nuovo, e anche eufonico. Questa è una capriata con corde parallele senza membri verticali nell’anima: uno dei tipi generali discussi e confrontati nella mia pubblicazione del 1847 con riferimento alla Fig. A., pagina 14…
Non sono a conoscenza del fatto che sia esistito alcun esempio di capriata a corde parallele senza verticali, prima della loro costruzione da parte mia oltre 20 anni fa, con l’importante eccezione del ponte a traliccio di assi. Questo mi è stato conosciuto per la prima volta con il nome di “Ponte a traliccio della città”, ed era un ponte molto economico e utile quando costruito correttamente…
Ma in qualche modo mi è venuto in mente…che un piano in cui ogni membro del sistema di rete dovrebbe fare qualcosa nel modo di far avanzare il peso verso le spalle, potrebbe avere dei vantaggi rispetto ad uno che ha membri verticali semplicemente per trasferire l’azione del peso direttamente da corda a corda senza farlo avanzare affatto orizzontalmente…
La capriata trapezoidale, con e senza verticali, anche se dipende da combinazioni così antiche che “la memoria dell’uomo” (specialmente la generazione presente) “non corre al contrario” ancora, forse, deve qualcosa a me per la forma economica e le proporzioni…
Questi signori si compiacciono di chiamare ‘The Whipple Truss;’ e considerando che le capriate Isometrica e Post sono solo modifiche (e nemmeno molto favorevoli) di un tipo di capriata usato per la prima volta e discusso a fondo da me.
È chiaro che Whipple credeva che le capriate Warren o Isometriche fossero semplicemente estensioni di capriate di cui aveva scritto negli anni 1840, e costruite negli anni 1840 e 1850. In un articolo sulla Pratt Truss (STRUCTURE, maggio 2015), è stato fatto un caso che le capriate chiamate Howe e Pratt dovrebbero davvero essere chiamate Whipple Trusses. Un caso simile è fatto qui che la Warren Truss dovrebbe essere chiamata Whipple Truss. Le ragioni sono che Warren, quando sviluppò la sua capriata, non sapeva come dimensionare le sue membrature né sapeva distinguere tra tensione e compressione nelle sue membrature. Non ha mai progettato o costruito una capriata con un palo terminale inclinato né una capriata con verticali. Una capriata come l’aveva brevettata non fu mai costruita. Whipple d’altra parte aveva analizzato, progettato e costruito capriate con vari membri dell’anima e pali inclinati prima del brevetto di Warren.
Figura 10. Little Juniata Bridge, Pennsylvania RR, ferro fuso e battuto con verticali, Pony Truss ~1870.
Figura 11. Bell’s Bridge, Delaware, Lackawanna & Western RR 1872, Double Warren o Whipple.
È probabilmente troppo tardi per cambiare il modo in cui la maggior parte delle persone chiama le varie capriate, ma si dovrebbe almeno riconoscere che la maggior parte dei modelli di capriate utilizzati alla fine del 19° e 20° secolo hanno avuto le loro origini negli Stati Uniti e da Squire Whipple tra il 1841 e il 1880. Quelle che furono chiamate le capriate Warren furono costruite a migliaia come capriate pony a campata corta senza verticali, campate più lunghe con verticali, campate ancora più lunghe con doppie intersezioni, e campate ancora più lunghe con pannelli suddivisi. Erano originariamente costruite con membri in ghisa e ferro battuto con perni e, più tardi, con membri in ferro battuto e giunti in ghisa con perni, e più tardi completamente rivettati in acciaio. In molte capriate furono aggiunte anche corde superiori poligonali per estendere la lunghezza della campata. J. A. L. Waddell usò il modello in molte delle sue campate di ascensore dopo la fine del secolo. Diversi esempi dello stile del ponte sono mostrati nelle figure 10, 11 e 12.▪
Figura 12. Warren, Isometrico, Truss, Corda superiore poligonale, con verticali, tutto ponte in acciaio rivettato per la ferrovia BNSF sul fiume Verdigris, Oklahoma~1960.