Esistono numerosi casi di dighe che hanno subito azioni sismiche. La valutazione degli effetti prodotti o, quando erano disponibili gli strumenti di misura, la valutazione del comportamento delle dighe durante il terremoto ha permesso di raccogliere una certa esperienza sul tema. Parte di queste informazioni sono state sintetizzate nel bollettino 120 del 2001 redatto dall’ICOLD (6).
In questo rapporto si evince che fino al 2001 solamente 12 dighe avevano subito dei danneggiamenti rilevanti per effetto dei terremoti e solo la metà erano classificate come grandi dighe. Le osservazioni più interessanti maturate dall’analisi della risposta di tutte le dighe esaminate aveva portato a dire che:
- le dighe maggiormente danneggiate risultavano essere quelle in materiale sciolto, in particolare le dighe di dimensioni modeste gestite da enti meno importanti;
- le dighe in calcestruzzo avevano mostrato una maggiore resistenza;
- nessuna diga ad arco aveva subito danneggiamento considerevoli nonostante molte di esse fossero state soggette ad un sisma di forte intensità.
Tutte queste evidenze sono state confermate negli anni successivi. In particolar modo nei terremoti dello Wenchuan in Cina (2008) ed in quello di Tohoku in Giappone (2011).
Il presente lavoro si concentra sulle dighe in calcestruzzo, per queste strutture esistono pochi casi di strutture danneggiate a seguito di un terremoto. Se da un punto di vista questo è rassicurante, da un punto di vista ingegneristico rappresenta un’assenza di esperienza sul possibile comportamento delle strutture. Il bollettino 120 raccoglie l’esperienza di sole 12 dighe in calcestruzzo soggette a terremoti con PGA maggiore di 0.2 g.
E’ bene fare tesoro di tutte le informazioni che si possono dedurre da questi casi. Nei terremoti del 1971 e del 1994 avvenuti in California la diga di Paicoma, una diga ad arco alta 113 m completata nel 1929, ha mostrato uno degli effetti più importanti del terremoto sulle dighe: la apertura dei giunti compresi tra i conci verticali.
Nei paragrafi che seguono vengono descritti alcuni di questi casi. Dopo aver documentato alcuni casi relativi a dighe in materiali sciolti si passerà ad analizzare la risposta delle dighe in calcestruzzo.
Le informazioni raccolte dal passato e quelle che si raccoglieranno nel futuro sono di fondamentale importanza per la corretta rappresentazione della risposta sismica delle dighe nell’ambito delle analisi numeriche. Ognuno dei casi riportati di seguito ha infatti apportato delle modifiche al modo in cui le dighe sono state analizzate.
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IL CASO DELLA DIGA DI FUJINUMA
Durante quest’ultimo terremoto si è verificato il crollo totale della diga di Fujinuma, costata la vita a 8 persone (Figura 1.2).
Figura 1.2 Diga di Fujinuma prima (destra) e dopo (sinistra) la scossa del terremoto “Tohoku” del 11 Marzo 2011 (Giappone)
Questa diga in materiali sciolti, alta solo 18.5 m e destinata all’uso irriguo, l’11 Marzo 2011 20 minuti dopo l’arrivo del terremoto ha rilasciato a valle tutta l’acqua invasata in quel momento (capacità del bacino 1 504 000 m3). Si è stimato che il crollo fu causato da errori progettuali.
I CASI PIÙ NOTI DI DIGHE IN MATERIALI SCIOLTI
Sulla scorta delle informazioni ricavate dal Bollettino 120 si riportano di seguito i terremoti che hanno portato agli effetti più significativi sulle dighe in materiali sciolti. In Giappone durante il terremoto di Kobe del 1995 tre dighe sono state danneggiate seriamente ed altre in maniera più lieve. Molti anni prima, durante il terremoto di “Kanto” una diga in materiali sciolti alta 40 m fu il primo caso documentato di danneggiamento grave subito da una diga a seguito di un sisma.
Negli Stati Uniti sono stati molti i terremoti avvenuti in prossimità delle dighe. Ci sono anche casi in cui alcune dighe sono state interessate da più terremoti in un arco di tempo relativamente breve. È il caso del terremoto di “San Fernando” del 1971 e del successivo terremoto “Northridge” del 1994. La seconda scossa non prevista così ravvicinata ha messo in discussione lo studio di sismicità fatto in precedenza. Un altro aspetto fondamentale fu l’adeguamento della diga “Lower Van Norman” a seguito della prima scossa rispetto al cosiddetto massimo terremoto credibile (MCE). Questo adeguamento ha migliorato e messo in sicurezza la stessa diga nei confronti della scossa del 1994. Un altro caso emblematico fu quello del terremoto di “Loma Prieta” del 1989. Più di cento dighe erano state assoggettate al sisma ma solo poche si danneggiarono. In quel caso si evidenziò che la maggior parte di esse aveva un livello di invaso molto basso compreso tra il 10% ed il 50%, un aspetto fondamentale che ne aumenta la capacità di resistere alle azioni sismiche orizzontali. Un altro aspetto da considerare fu la breve durata del terremoto. Andando ancora più indietro il terremoto di San Francisco del 1906, che aveva interessato circa trenta dighe non aveva
provocato danni significativi. Molti altri terremoti come quello del 1925 di Santa Barbara e quello di “Kern County” del 1952 avevano evidenziato dei danneggiamenti di dighe in materiali sciolti.
Altri terremoti, in Messico nel 1985 e in Nuova Zelanda nel 1987 confermarono il fatto che le uniche dighe a danneggiarsi erano quelle in materiale sciolto. Uno degli aspetti più importanti a tal proposito è il tipo di materiale utilizzato. Le dighe riempite in roccia le “rockfill dams” o quelle la cui faccia era in calcestruzzo “Concrete Face Rockfill dams” si sono dimostrate più sicure delle altre.
IL CASO DELLA DIGA DI SHIN KANG DAM
Un altro dei casi più noti è quello della diga “Shin Kang” situata a Taiwan. Questa è la prima diga a gravità che ha subito danneggiamenti a causa di un terremoto. Il 21 Settembre 1999 un terremoto di magnitudo 7.6 ha infatti portato ad un collasso parziale della diga ed un conseguente rilascio di acqua.
Figura 1.3 Sezione (sinistra) e danneggiamento (destra) della diga Shin Kang a seguito del terremoto “Chi Chi” del 21 Settembre 1999 (Taiwan).
Come mostra la Figura 1.3 il terremoto ha provocato il crollo dei muri di sostegno delle paratoie. La diga alta solo 21.40 m era stata progettata con metodi pseudo statici e utilizzando un’azione sismica più bassa di quella effettivamente registrata. Dalle analisi effettuate successivamente è stato appurato che questo collasso è stato l’effetto della rottura di una faglia situata sotto la diga. Questo danneggiamento seppur grave non ha portato al rilascio incontrollato di acqua ma soprattutto non ha causato morti. Inoltre la diga è stata successivamente riparata ritornando al suo esercizio. L’evento ha dimostrato che bisogna approfondire lo studio sismologico, in particolare bisogna valutare l’effetto di un possibile scorrimento della faglia posta sotto la diga. In Italia uno studio di questo tipo è stato condotto per le tre dighe di Campotosto (Poggio Cancelli, Rio Fucino, Sella Pedicate) da Agosti Corigliano e Lai a seguito del terremoto dell’Aquila del 6 Aprile 2009 (7).
Tornando al caso della diga di Shin Kang a questo studio sismotettonico andava sicuramente aggiunto uno studio più approfondito della risposta della struttura effettuato con metodi più dettagliati rispetto al metodo pseudo statico.
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IL CASO DELLA DIGA DI AMBIESTA
Tra le dighe che hanno subito un terremoto c’è la diga ad arco di Ambiesta situata nella provincia di Udine, un caso molto studiato e che merita un approfondimento specifico. Questa diga è stata sottoposta al terremoto del Friuli del 6 Maggio 1976. La diga già strumentata con accelerometri prima del terremoto ha registrato sia la scossa principale che le successive.
Figura 1.4 Diga di Ambiesta (vista da valle) : con il pallino rosso è stato indicato il mainshock del terremoto del Friuli.
Questa diga ad arco cupola alta 58.63 m, completata nel 1956, fa parte dell’impianto idroelettrico “Medio-Tagliamento Somplago”. La lunghezza del coronamento di 145.00 m, lo spessore in cresta di 2.00 m e alla base di 7.80 m danno a questa struttura una notevole snellezza. Come molte delle dighe ad arco costruite in Italia in quel periodo sul contorno della volta venne costruito un pulvino.
Figura 1.5 Geometria della diga di Ambiesta, sezione, prospetto e posizione degli accelerometri posizionati a seguito dell’evento del 15 Settembre 1976.
La diga venne progettata tra il 1949 e 1954 tenendo conto degli effetti del terremoto utilizzando dei coefficienti sismici per valutare le azioni nelle varie direzioni. Vennero inoltre condotti dei test su un modello in scala 1:50 in cui si arrivò a stimare un’azione orizzontale al collasso pari a 12 volte la spinta idrostatica. Con un modello
in scala 1:75 vennero anche applicate delle forze assimilabili a quelle sismiche per studiare la resistenza offerta dalla diga. Da quest’ultimo test si giunse alla massima accelerazione che la diga era in grado di subire pari a 0.75 g. I meccanismi di collasso ottenuti interessavano la parte più alta del coronamento che per questo venne rinforzata nonostante l’azione sismica applicata nei test fosse ben più grande di quella attesa al sito.
Il 6 Maggio 1976 il terremoto del Friuli che provocò 965 morti e migliaia di feriti fu il primo forte terremoto ad abbattersi sulla diga distante all’incirca 20 km dall’epicentro. Su una delle imposte della diga venne registrata un’accelerazione di 0.33 g. Dopo questa scossa l’Istituto Sperimentale Modelli e Strutture (ISMES) installò ulteriori 30 accelerometri in grado di registrare gli spostamenti orizzontali durante gli aftershock (vedi Figura 1.5). Nei successivi 4 mesi ci furono diverse scosse di “aftershock” comprese tra magnitudo di 5.1 e 6.0. Dalle misure si arrivò a stimare un’amplificazione base-sommità di 5.8 nella direzione monte valle e 10.6 nella direzione spalla-spalla. Le maggiori amplificazioni vennero registrate per i periodi compresi tra 0.10 e 0.125 sec.
La risposta registrata in sommità venne poi confrontata con i risultati ottenuti su modello numerico applicando lo stesso segnale registrato alla base. Il modello numerico venne calibrato utilizzando delle prove in sito con applicazione di forzanti sinusoidali comprese tra 2 e 20 Hz. Nella Figura 1.6 vengono riportati i risultati dei confronti. Con la “a” minuscola si indica il risultato numerico e con la “b” quello registrato. Nei primi 4 grafici (indicati con A) vengono riportate le accelerazioni spettrali in vari punti della struttura mentre nell’ultimo grafico indicato con “B” si riporta invece le accelerazioni registrate e calcolate sul coronamento.
Figura 1.6 Confronto tra la risposta spettrale reale e la risposta spettrale valutata su modello agli elementi finiti
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Al termine di questo periodo di scosse sia la diga di Ambiesta che le vicine dighe di Barcis e Maina di Sauris non subirono danneggiamenti.
Vale la pena fare una valutazione rapida di quella che oggi è l’azione sismica attesa al sito secondo le Norme Tecniche delle Costruzioni 2008. Facendo riferimento alle coordinate della diga e ad un tempo di ritorno di 2000 anni si arriva ad una accelerazione al suolo di 0.43 g. Un’accelerazione più alta di quella registrata nel 1976. Alla luce di questo si potrebbe dire che la diga non ha ancora subito il terremoto atteso, o almeno quello previsto per le verifiche. Questo introduce una nuova questione: le risposte sismiche delle dighe di cui abbiamo informazioni non sono riferite alle intensità sismiche richieste per le verifiche.
IL CASO DELLA DIGA DI KOYNA
Uno dei casi rispetto al quale sono stati sviluppati il maggior numero di modelli numerici per simularne il comportamento sismico è quello della diga di Koyna. La diga è infatti l’unica diga in calcestruzzo ad aver subito dei danneggiamenti significativi per effetto del terremoto. Oltre ad essere diventato un caso studio di riferimento è stato oggetto di campagne sperimentali su modelli in scala (8).
Questa diga a gravità in calcestruzzo alta 103.2 m e con un estensione di 807.2 m è la diga più grande dell’India ed una importante fonte di approvvigionamento energetico.
Figura 1.7 Diga di Koyna in India
Il terremoto del 11 Dicembre 1967 con epicentro a soli 13 km dalla diga ha prodotto dei danneggiamenti importanti che ne hanno richiesto due adeguamenti, il primo completato nel 1973 ed il secondo nel 2006. La vicinanza dell’epicentro alla diga fa pensare che l’origine scatenante del terremoto sia stato proprio l’invaso. Questa diga è stata inaugurata infatti nel 1964, solo tre anni prima del terremoto.
Uno dei primi ad occuparsi della risposta sismica di questa diga fu il Prof. Chopra, autore che ha apportato molte innovazioni nei metodi di analisi sismiche delle dighe. Uno degli ultimi studi è stato quello di Lee e Fenves che nel 1998 volendo proporre una nuova versione del modello “damage plasticity” introdotto inizialmente da Lubliner lo hanno applicato alla diga di Koyna. In Figura 1.8 viene riportato il modello e l’accelerazione imposta alla base della diga mentre nella Figura 1.9 viene riportata la risposta della diga al terremoto. L’accelerazione del terreno registrata in
due gallerie ha un valore massimo assoluto pari a circa 0.5 g. La risposta massima della diga è stata considerata sia con un modello lineare che con il modello non lineare. Chiaramente nell’ultimo caso al termine del sisma permane uno spostamento residuo in direzione di valle dovuto ad una maggiore deformabilità della struttura danneggiata. Nella Figura 1.9 vengono anche riportate le zone di maggior danneggiamento coerenti con quelle riscontrate a seguito del terremoto del 1967, in particolare quelle alla base del coronamento.
Come dimostrano i risultati il modello proposto da Lee e Fenves ha permesso di identificare il comportamento dinamico della struttura.
Figura 1.8 Modello della diga di Koyna e accelerazione al suolo registrata nelle prossimità della diga.
Figura 1.9 Risposta sismica lineare e non lineare della diga (sinistra) e zone di danneggiamento ai tempi A e D del transitorio.
L’ESPERIENZA DEL TERREMOTO CINESE “WENCHUAN” DEL 2008
Per completare il quadro sull’esperienze accumulate sulla risposta sismica delle dighe si tratta inoltre il caso di diverse dighe che hanno subito dei danneggiamenti a seguito del terremoto cinese “Wenchuan” del 2008.
Il terremoto di magnitudo 7.9 avvenuto nella provincia del Sichuan il 12 Maggio 2008 ha provocato la morte di 69 195 persone. Come mostra la Tabella 1.1 la Cina è la seconda nazione per numero di dighe. L’alta densità di questi impianti ha fatto si che l’evento sismico abbia interessato 1803 dighe e 403 impianti idroelettrici. Il
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contributo alla conoscenza della risposta delle dighe alle azioni sismiche dato da questo evento è da questo punto di vista unico.
Figura 1.10 Posizione del terremoto del Whencuan e degli altri terremoti del passato con magnitudo maggiore di 7.
Le dighe maggiormente interessate sono state 4: - Diga in RCC di Zipingpu (ultimata nel 2006); - Diga ad Arco in RCC di Shapai (ultimata nel 2002); - Diga in Earth-Rockfill di Bikou (ultimata nel 1997);
- Diga a gravità in calcestruzzo di Baozhusi (ultimata nel 2000).
Una caratteristica importante di queste dighe è quella di essere delle dighe relativamente “giovani” e progettate con criteri sismici moderni.
La prima di queste dighe, alta 156 m ha registrato un’accelerazione in sommità di 2.0 g. Da questa, considerando un’amplificazione di 2.5 – 3 volte, si è arrivati a stimare una PGA di 0.6-0.8 g. La capacità del suo bacino è di circa 1112 milioni di mc di acqua ed il livello in occasione del terremoto era a soli 100.74 m di altezza. Si è ipotizzato e poi escluso che il terremoto fosse stato generato proprio dal riempimento del serbatoio iniziato nel 2006.
Come mostrano la Figura 1.11 e Figura 1.12 sono avvenuti dei danneggiamenti che hanno richiesto 1 anno per la loro riparazione.
Figura 1.11 Dislocazione verticale sul coronamento di 20 cm (sinistra) e scorrimento orizzontale del paramento di monte (destra) avvenuti sulla diga di Zipingpu
Figura 1.12 Crollo del parapetto (sinistra) e danneggiamento del ricoprimento in pietra del paramento di valle (destra)avvenuti per la diga di Zipingpu
Figura 1.13 Livello dell'acqua subito dopo il sisma (sinistra) e stato del paramento di monte, privo di danni, osservato dopo lo svuotamento del bacino (sinistra) per la diga di Shapai.
La diga di Shapai alta 132 m, lunga 250 m e con uno spessore alla base di 28 m è situata a 36 km dall’epicentro. In occasione del terremoto il serbatoio era pieno, ad un livello di 128 m. Come mostra la Figura 1.13 non sono avvenuti danni al corpo diga.
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La diga di Bikou ha un’altezza di 101.8 m ed una lunghezza di 298 m. La sua capacità massima è di 512 milioni di mc ma al momento del terremoto il livello era a 81.4 m. I danni maggiori subiti dalla struttura sono il crollo di una parte del muro sul paramento di valle e l’apertura di una fessura a cavallo del giunto sul paramento di monte. I danni più importanti sono riportati nella Figura 1.14.
La diga a gravità di Baozhusi è quella ad avere la capacità di invaso maggiore, 2550 milioni di mc. L’altezza della diga è di 132 m e la sua estensione di 524.5 m. Il livello di invaso in occasione del sisma era di 71.5 m. I danni subiti dalla diga riportati in Figura 1.15 sono risultati di lieve entità e riparati in breve tempo.
Nessuna delle dighe ha subito dei danneggiamenti tali da portare al collasso della struttura o ad un rilascio incontrollato di acqua. Questo fa pensare che i criteri adottati nella progettazione secondo le normative cinesi siano stati adeguati. In particolare la scelta del terremoto con una probabilità di accadimento del 2% in 100 anni ha ben rappresentato la sismicità della zona. Nonostante questo a seguito del terremoto i livelli sismici sono stati ulteriormente alzati all’1% in 100 anni per le dighe alte 250- 300 m.
Quello che il terremoto cinese ha dimostrato è l’importanza di altre fonti di rischio non strettamente riferite al corpo diga. Martin Wieland, coordinatore comitato ICOLD sulle tematiche sismiche, in alcuni suoi articoli (9) (10) fa un elenco degli elementi da dover sottoporre a verifica:
- Corpo diga; - Scarichi di fondo;
- Sfioratori con relative paratoie e altri dispositivi meccanici;
- Casa di guardia, centrali elettriche, condotte, gallerie e cabine di trasformazione.
Inoltre bisogna accertarsi che non si verifichino particolari fenomeni quali: - Cedimento in fondazione per movimento della faglia sottostante la diga; - Movimenti di faglia sotto il serbatoio in grado di generare onde;
- Caduta massi sulle strutture e sulle apparecchiature; - Frane all’interno del serbatoio;
- Frane di entità tale da creare laghi isolati; - Interruzione delle vie di accesso alla diga;
- Cedimenti di terreno dovuti a fenomeni di liquefazione.
Prima del terremoto del Wenchuan, tutti questi fenomeni non venivano considerati. Da questo punto di vista si osserva la stretta relazione tra le esperienze e le richieste normative. Da quanto visto il tema della sicurezza sismica delle dighe è quindi un tema a pericolosità multipla, composta da più componenti.
Nella presente tesi ci si è dedicati in particolar modo alla valutazione della sicurezza del corpo diga.
Figura 1.14 Danni subiti dalla diga di Bikou: crollo di una parte del muro sul paramento di valle (sinistra) e apertura di una fessura a cavallo del giunto sul paramento di monte (destra).
Figura 1.15 Fessura sul coronamento della diga (sinistra)e vista della diga di Baozhusi da monte (destra)
CONCLUSIONI
Le esperienze descritte finora e che hanno evidenziato una buona risposta delle dighe alle azioni sismiche, vanno interpretate con cautela poiché, relativamente alla posizione dell’epicentro del terremoto, poche dighe sono state scosse da terremoti di sufficiente durata e intensità, capaci di mandare in crisi la loro integrità strutturale. Va considerato che molte di queste dighe, che non hanno subito danni, non sono state sottoposte al sisma per il quale sono state progettate, viceversa, altre hanno subito danneggiamenti per accelerazioni del terreno anche minori di quelle di progetto. È chiaro quindi che se parliamo di sicurezza sismica di dighe è difficile fare affermazioni che valgano in generale e che ogni struttura deve essere analizzata in modo specifico.
In un lavoro presentato da Nuss, Hansen e Matsumoto in occasione del meeting ICOLD di Seattle del 2013 si è fatto il punto sulla risposta delle dighe in calcestruzzo soggette a terremoti con PGA>0.3 g. Si riporta di seguito una tabella riassuntiva delle tipologie di dighe che hanno subito dei danneggiamenti al corpo diga o alle opere accessorie.
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Tabella 1.3 Risposta sismica di dighe soggette a terremoti con PGA > 0.3 g
Dal loro studio hanno dedotto le seguenti osservazioni:
· Alcune dighe non hanno subito danni nonostante siano state scosse da terremoti più intensi rispetto al terremoto di progetto;
· le fessure si presentano generalmente in sommità dove ci sono variazioni di rigidezza e amplificazioni del segnale (vedi esempio della diga di Koyna); · solo in pochi casi le fessure si sono formate nella direzione spalla-spalla; · molto spesso i danni maggiori si hanno nelle opere accessorie (paratoie, case di
guardia ecc);
· a seguito del terremoto si sono registrati aumenti di permeabilità all’interno