CAPITOLO I “INTRODUZIONE”

CAPITOLO I

“INTRODUZIONE”

1.1 Introduzione al fenomeno

La storia dell’idraulica è segnata da innumerevoli crolli di ponti i cui progetti non furono adeguatamente stimati in base alla capacità dei fiumi alluvionali di erodere o di scavare i letti dei canali e gli argini. Immagini di pile vacillanti, di spalle spezzate e di ponti divenuti col tempo strutturalmente logori hanno ossessionato gli ingegneri fin dall’antichità. Tutto questo ha provocato un crescente interesse verso la previsione degli scavi, i cosiddetti local scour, e le adeguate misure di protezione.

Figura 1.1 - Rottura dell’impalcato del ponte per l’occlusione delle campate, (Oklahoma)

Il comportamento risultante del flusso attorno alla pila diventa complesso e difficile da affrontare idrodinamicamente. Raggiunta una certa velocità all’interno del canale piccoli sedimenti molto vicini all’ostacolo iniziano a muoversi: lo scavo è cominciato. Le particelle erose seguiranno il comportamento del flusso e saranno trascinate da monte a valle dell’ostacolo. All’aumentare della velocità del flusso, sempre più sedimenti saranno smossi causando in questo modo il formarsi di uno scavo di dimensioni e profondità crescenti nel tempo. Il fenomeno di scavo ha inizio nella zona a monte della pila o nei suoi dintorni. Lo scavo locale cresce in profondità ed in volume formando un solco. La porzione di scavo a monte dell’ostacolo assume approssimativamente la forma di una superficie conica ribaltata, sviluppandosi attorno al palo con inclinazione dei pendii laterali all’incirca uguale all’angolo di riposo dei sedimenti. Il materiale eroso viene trasportato via spesso sottoforma di raffiche di particelle verso la zona posteriore della pila dove possono o meno depositarsi. La massima profondità di scavo per quanto riguarda ostacoli di forma cilindrica come la pila di un ponte si raggiunge nella parte frontale dell’oggetto.

L’erosione intorno alle pile di un ponte può essere considerata come l’effetto della sovrapposizione di tre processi distinti (si veda, Melville & Coleman, 2000):

1. erosione generalizzata (general scouring) : erosione del fondo dovuta alla normale evoluzione del corso d’acqua;

2. erosione per restringimento (contraction scouring): escavazione del fondo causata dall’incremento delle velocità locali e degli sforzi tangenziali, come conseguenza del restringimento della sezione trasversale;

3. escavazione localizzata (local scouring): escavazione del fondo per effetto dei sistemi di vortici originati intorno alle pile del ponte.

L’escavazione localizzata alle pile dei poti dipende dai fenomeni che si formano per l’iterazione della pila stessa con la corrente: il vortice a ferro di cavallo (horseshoe vortex), il rigonfiamento in superficie (bow wave), la corrente discendente a monte della pila (down-flow) e il vortice di scia (wake vortex). Il flusso discendente è la conseguenza della brusca decelerazione causata dalla presenza della pila. Le relative pressioni di ristagno sulla faccia della pila sono maggiori vicino al pelo libero, dove la decelerazione è massima e vanno diminuendo man mano che ci si avvicina al fondo. Il risultante gradiente di pressione, quindi, genera la corrente discendente a monte della pila. Il flusso agisce allora sul letto del fiume come un getto verticale che crea immediatamente uno scavo di fronte alla pila. La formazione del solco instabilizza i sedimenti che si trovano al di sopra dello scavo suddetto. L’evoluzione dello scavo stesso, attorno alla pila, crea il vortice dei sedimenti a ferro di cavallo. Le particelle dislocate sono trascinate dietro il palo da quest’ultimo. Si ha quindi che la corrente discendente e i vortici a ferro di cavallo sono i principali responsabili dello scavo. Per quanto riguarda i vortici di scia a valle della pila, questi sono generati dalla separazione del flusso ai lati della pila. Questi vortici sono traslati a valle dal flusso principale e agiscono risucchiando i sedimenti dal letto e trasportando quelli smossi dal

flusso discendente e dai vortici a ferro di cavallo. Il particolare comportamento del flusso insieme allo scavo locale derivante è riportato graficamente nelle figure sottostanti.

Figura 1.4 - Particolare delle scie intorno alla pila del ponte

Lo scavo localizzato si evolve in maniera differente a seconda che i sedimenti siano coesivi (limo, argilla) o non coesivi (sabbia, ghiaia), uniformi o non uniformi, in presenza (live-bed

conditions) o in assenza (clear-water conditions) di trasporto solido. In particolare, la letteratura

specialistica riguardante l’erosione localizzata con sedimenti non coesivi uniformi, in assenza di trasporto solido, è molto estesa (si veda, ad esempio, Chabert & Engeldinger, 1956; Melville, 1975; Breusers et al., 1977; Dargahi, 1982; Melville, 1997).

1.2 Fattori che influenzano lo scavo

• Fattori dovuti alla geomorfologia: questi fattori possono essere suddivisi in caratteristiche

di raccolta e in caratteristiche fluviali. Le prime includono i fattori climatici e le caratteristiche topografiche, vegetative e del terreno della raccolta. Quest’ultimi sono di fondamentale importanza visto che determinano il tasso di trasporto fluviale e di sedimenti nei pressi del ponte. Inoltre anche il potenziale accumulo di detriti alle fondazioni della pila ed il peggioramento dello scavo dipendono dal tipo e dalla quantità di vegetazione all’interno della raccolta. La fonte primaria della presenza di tronchi galleggianti è dovuta all’erosione degli argini. Il franare di materiale terroso dai pendii nelle regioni montane è stato citato come una significativa fonte di detriti legnosi per i corsi d’acqua. Per quanto riguarda le caratteristiche fluviali sono di particolare importanza la collocazione della valle ovvero se il fiume (ed il ponte) è situato in una zona pianeggiante, collinare o montagnosa, la forma della sezione trasversale del canale e le proprietà del perimetro dello stesso. I corsi d’acqua in montagna per esempio sono tipicamente ripidi, hanno canali molto stretti ben definiti e letti costituiti da materiale grossolano. I fiumi che scorrono in luoghi pianeggianti sono invece per lo più alluvionali con canali molto ampi e materiale sul fondo di grana fine. L’erosione degli argini è un problema comune che affligge questo tipo di corsi d’acqua e può essere riconosciuto da fattori come la precipitazione di vegetazione, lo scivolamento di materiale proveniente dagli argini e da fratture sulla superficie degli stessi. Sebbene i processi che causano il degrado o l’aggrado dei fiumi accadano su larga scala, essi possono comportare enormi effetti sui ponti situati all’interno di canali in mutamento.

• Fattori dovuti ai sedimenti del letto del fiume: questi fattori nelle vicinanze dei ponti

includono distribuzioni di misure di particelle e, per materiale non coesivo, la distribuzione spaziale delle misure dei sedimenti. Lo scavo presso i ponti poggianti su un suolo di materiale coesivo è un fenomeno molto complesso. La suscettibilità dello scavo per un suolo a grana fine non può essere misurata sulla base della misura dei grani stessi a causa sia delle complesse interazioni chimico fisiche tra le particelle colloidali sia della

pressione dell’acqua che dell’effetto di “preloading”. Non solo la maggior parte di questi fattori per lo stesso luogo varia con il tempo, ma essi variano anche da una parte all’altra dello stesso luogo e da un luogo ad un altro, anche se situati sullo stesso suolo a grana fine. Un letto di materiale roccioso costituisce il limite probabile per la profondità delle fondazioni di un ponte. Quest’ultime possono essere soggette a scavo se le rocce sono erodibili.

• Fattori dovuti alla geometria del ponte: fanno parte di questo gruppo la contrazione della

vena fluida dovuta al restringimento della sezione bagnata per la presenza del ponte, la geometria delle fondazioni la posizione del ponte in relazione alle curve del canale e la presenza di opere di sicurezza per lo scavo. La contrazione della vena può essere dovuta lateralmente all’effetto invasivo di un ponte e verticalmente alla presenza di sovrastrutture sommerse. Per quanto riguarda la geometria delle pile e delle spalle del ponte questa può essere descritta mediante il tipo, la forma, la lunghezza, la larghezza e l’interazione con il flusso di ogni singolo palo. In particolare sono importanti la posizione delle pile e delle spalle all’interno del canale. Per esempio le pile collocate nei pressi delle spalle necessitano di particolari attenzioni dato che possono essere soggette a scavi più profondi in quanto risentono del flusso vicino alla spalla. Inoltre anche le pile poste presso i margini del canale principale possono subire l’effetto di particolari flussi laterali ed essere suscettibili a scavi maggiori dovuti all’asimmetria del flusso.

• Fattori dovuti alle misure di protezione per lo scavo: queste misure possono essere

classificate in accordo con il tipo di scavo per cui sono state progettate.

• Fattori di trasporto: questi fattori si riferiscono al trasporto sul corso d’acqua, al trasporto

di sedimenti e al trasporto di detriti. Il flusso d’acqua è stato caratterizzato, ai fini dello studio sugli scavi, mediante un idrografo, mediante distribuzioni spaziali e temporali della velocità del flusso e tramite l’altezza di flusso. In particolare lo scavo presso le pile di un ponte può essere significativamente aumentato dall’accumulo di detriti galleggianti.

• Effetto dei Detriti: molti corsi d’acqua trasportano apprezzabili quantità di detriti

galleggianti. Questo materiale può rimanere bloccato presso le pile dei ponti e accumularsi in vasti agglomerati di materiali a volte simili a “zattere” di detriti. La pila con i detriti accumulati diventa un’ostruzione al flusso molto più significativa rispetto ad una pila senza detriti; questa ostruzione aggiuntiva provoca un aumento della profondità dello scavo generato alla base della pila. In contrapposizione agli estesi studi sugli scavi locali presso le pile non sono state riportate significative investigazioni sugli effetti dei detriti. Laursen e Toch nel 1956 condussero degli studi qualitativi sulle conseguenze degli

accumuli di materiali e osservarono che lo scavo generatosi risultava più profondo ed esteso di quello ottenuto attorno alla pila in assenza di detriti.

Figura 1.6 - Accumulo di materiale (internet)

Per motivi pratici, i calcoli atti a studiare la profondità dello scavo in presenza degli accumuli galleggianti furono eseguiti considerando una pila avente diametro maggiore della pila reale; esiste comunque un problema anche per stabilire l’appropriata misura del diametro effettivo da inserire nelle equazioni utili per il calcolo della profondità di scavo. Questi studi procurano un metodo per determinare il diametro effettivo da utilizzare nel calcolo della profondità di scavo nel caso di pile soggette ad accumulo di detriti galleggianti. Il diametro effettivo è calcolato in base alle dimensioni della pila e dei detriti. La previsione delle possibili dimensioni delle zattere di detriti rimane comunque il più grave tra i problemi da analizzare. Gli studiosi, infatti, dovrebbero misurare e documentare gli accumuli di detriti con le loro caratteristiche tentando di relazionarle con quelle del piano di flusso e di tutte le altre variabili di simile importanza.

Figura 1.7 - Diametro effettivo della pila secondo Melville e Dongol (1991)

• Caratteristiche del bacino: la variazione della quantità e della disposizione del legname

alle opere idrauliche dipende principalmente dalla geometria del ponte; dal percorso, lineare o sinusoidale e dalla profondità del corso d’acqua, dal tipo e dalla geometria della vegetazione riparia, quindi dal grado di consolidamento delle sponde. L’accumulo del legname cresce a monte dell’opera idraulica attraverso l’aumento della quantità di materiale flottante ostacolata. Il tasso di accumulo dipende dalla concentrazione di legname trasportato, definito dal numero di materiale galleggiante per la lunghezza del corso d’acqua, e dalla grandezza del materiale stesso. In generale l’ostruzione dei ponti si verifica per grandi dimensioni di materiale solido trasportato. Il risultato delle infinite interazioni sono le varie ostruzioni delle opere di attraversamento che si formano causando anche la rottura dell’opera stessa a seconda dell’intensità della forza impressa dal legname addensato alla pila del ponte od all’impalcato provocando rispettivamente il collasso della prima o della seconda. L’accumulazione della vegetazione ad una sola pila avviene quando la massima lunghezza del materiale flottante è minore della luce della campata. In letteratura si trova come l’ostruzione di un singolo piedritto, da uno o più tronchi di piante, avviene quando la vegetazione galleggia perpendicolarmente all’opera di attraversamento. L’occlusione delle campate si verifica quando la lunghezza del detrito è maggiore dell’interasse tra i piedritti dell’opera di attraversamento; il risultato è che si verifica l’ostruzione di più pile. Questo tipo di accumulo può anche verificarsi tra l’impalcato ed una spalla del ponte. Secondo Diehl questo tipo di deposito avviene perché il materiale, proveniente da monte si deposita perpendicolarmente alla corrente, ma appena aumenta la quantità del legname, si dispone parallelamente all’opera. Ciò si verifica frequentemente per sezioni di pile rettangolari. Per l’opere di attraversamento costituite da più piedritti il materiale

galleggiante, accumulandosi a quest’ultimi, può verificare anche il collasso dell’impalcato in corrispondenza della pila centrale.

Figura 1.8 - Rottura della pila del ponte a causa dell’accumulo della vegetazione

• Forze idrodinamiche presenti: a seguito di crolli di ponti causati da eventi alluvionali, il

National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) ha proposto di sviluppare una metodologia di previsione dei carichi di accumulo locali (debris). Gli obiettivi del progetto sono stati realizzati attraverso la calibrazione di modelli analitici di forze idrodinamiche grazie a dati ottenuti da tre modelli in scala. Un’estensione del NCHRP fornisce l’opportunità di ricavare informazioni su situazioni critiche. Un fattore importante che è stato ricavato dalle prove su campo è l’entità del blocco del flusso causato dall’accumulo. Lo scopo del NCHRP è quello di fornire sufficienti informazioni per essere in grado di quantificare le forze d’attrito (drag forces) e le forze idrostatiche (hydrostatic forces) che risultano dalla presenza dei debris. I debris sono generalmente cosituiti da rami, foglie, terra, legname, tronchi, ecc che sono stati trasportati nel corso del fiume in presenza di eventi alluvionali. Durante questi eventi i debris vengono infatti trascinati nel letto dei corsi d’acqua e il loro trasporto dipende principalmente dalle correnti secondarie; queste, in molti casi, concentrano i debris in scie (debris ribbons). L’accumulo di debris che si genera e occlude le campate dei ponti in modo da contrastare il regolare flusso del corso d’acqua, causa una corrente di rigurgito a monte che aumenta l’altezza liquida del flusso di inondazione. Causa inoltre un aumento della velocità della corrente in corrispondenza del ponte e l’erosione del fondale. I fattori principali che incidono sulla stabilità delle pile dei ponti sono:

-

-

-

Le forze principali alle quali sono soggette le pile dei ponti sono le forze di attrito (drag

forces) e le forze laterali (side forces). Le drag forces agiscono parallelamente alla

direzione del flusso e derivano dalla reazione dell’acqua in presenza di ostacoli. Le side

forces sono simili alle drag forces ma agiscono perpendicolarmente alla direzione del

flusso. Queste forze, insieme alle forze di impatto dei debris, contribuiscono al collasso del ponte causando instabilità alle sub strutture e facendo sì che la struttura portante collassi indipendentemente dal manto di copertura stradale.

Per sviluppare modelli analitici dei carichi dei debris sono state esaminate le seguenti categorie:

1. Principali forze idrodinamiche sull’oggetto sommerso:

sono stati sviluppati metodi pratici per mettere in relazione le forze principali idrodinamiche del fluido con il flusso attorno ad oggetti sommersi attraverso un’equazione empirica di attrito (drag equation). La forma generica dell’equazione è la seguente: 2 2 r r D d V A C F = ρ (1.1)

Il drag coefficient (CD) per oggetti sommersi il cui fluido non è molto contratto

dall’oggetto stesso, varia tra 2 e 0,1 in funzione della forma dell’oggetto. Il CD è

comunque funzione di molti parametri relativi alla geometria del debris e al flusso, incluso il numero di Reynolds, l’angolo di incidenza del flusso, le superficie e la forma del debris e l’intensità della turbolenza.

2. Forze idrodinamiche sulle pile dei ponti:

il CD dell’equazione 1.1 ha un range di variazione molto elevato, una causa di ciò

è la difficile valutazione di Ar e Vr. Un’ulteriore causa è la mancanza di

considerare la contrazione del flusso; infatti la contrazione della corrente generata dalla ostruzione del flusso si riduce la velocità del flusso a monte e aumentano sia la pressione che l’altezza liquida a monte. Quando l’ostruzione raggiunge il 30% dell’area totale le forze idrodinamiche aumentano notevolmente. Le forze totali nella direzione della corrente sono definite come:

(

)

D

S F F F

F _{= + +} (1.2) dove Fhu sono le forze idrostatiche a monte e le Fhd sono quelle a valle.

3. Forze idrodinamiche sull’accumulo:

Apelt usò prismi rettangolari con fori per simulare il debris e trovare il drag coefficient. Trovò che le drag forces dipendono dalla geometria interna del debris e dalla percentuale dei vuoti presente. In una prima ricerca Apelt mostrò che che il CD variava tra 1 e 2 con una corrispondente variazione di percentuale di vuoti

compresa tra 10% e 30%. In queste prove però i debris vennero studiati in assenza di pile di ponti. Wellwood e Fenwick proposero un altro metodo per ricavare le forze dovute ai debris e calcolarono le forze di attrito tramite la 1.1 una volta idealizzata la geometria dell’accumulo.

4. Geometria del debris:

L’aspetto più complesso riguarda la determinazione della grandezza e delle caratteristiche del debris. Le sue dimensioni influenzano sia il termine Ar

dell’equazione 1.1, che l’intero flusso al di sotto dei ponti. La stima dell’effettiva dimensione dell’occlusione dovuta all’accumulo e il suo totale effetto sulla velocità del flusso e altezza liquida è il fattore più importante per prevedere le forze relative al debris.

L’analisi dei dati conduce a molteplici relazioni atte a ricavare le drag forces e le forze idrostatiche. Il gran numero di dati disponibili dell’Università di Lousville sono stati ricavati con un accumulo compreso tra il 5% e il 90% e un vasto range del numero di Froude. Questi dati sono stati utilizzati per determinare l’appropriato valore di Vr da inserire nella

1.1, sono inoltre state calcolate le forze totali come somma delle componenti delle forze d’attrito e idrostatiche. Le analisi conducono ad una variazione del CD in funzione

principalmente dell’occlusione del flusso, sono inoltre stati considerati l’influenza del numero di Froude e del numero d Reynolds. Dall’Università del Queensland sono stati trovati altri metodi per ricavare le forze d’attrito e idrostatiche in funzione della velocità Vr

ed è stata ricavata una scala per ricavare il drag coefficient. E’ stata quindi trovata una relazione che tenesse in considerazione tutti i dati disponibili; in figura 1.9 è riportato l’andamento del CD dei debris in corrispondenza delle pile dei ponti.

Figura 1.9 – Andamento drag coefficient

Per un’ occlusione minore di 0,36 (B<0,36) e un numero di Froude compreso tra 0,4 e 0,8 (0,4≤Fr≤0,8) il CD diminuisce quando Fr aumenta, questo trend continua anche per valori

alti di Fr. in questo studio però i dati a disposizione sono limitatati a Fr< 0,8 e B< 0,36.

Figura 1.10 – Drag coefficient

1.3 Contromisure relative agli scavi presso i ponti

Metodi per proteggere i ponti dallo scavo e da instabilità di origine fluviale, denominati “contromisure relative agli scavi presso i ponti”, includono protezioni per gli argini, miglioramenti del canale e protezioni per pile e spalle. Le contromisure possono essere installate durante la costruzione del ponte oppure aggiunte solo successivamente per risolvere problemi di scavo presso attraversamenti già esistenti. Le contromisure inoltre possono essere strutture separate come per esempio i rivestimenti degli argini oppure parte integrante dell’attraversamento stesso.

Durante la progettazione del ponte il problema di minimizzare eventuali scavi può essere affrontato in due fasi, la prima è la selezione del luogo di attraversamento del corso d’acqua per ridurre la probabilità della formazione di scavi eccessivi e la seconda consiste nella progettazione delle fondazioni e della sovrastruttura del ponte.

Per quanto riguarda la scelta del luogo, questa risulta di notevole importanza dato che spesso le caratteristiche geologiche e idrauliche di un fiume cambiano considerevolmente anche su brevi distanze.

1.3.1 Fattori per la scelta del luogo

I fattori da tenere in considerazione per quanto riguarda questa scelta sono i seguenti:

• Larghezza del ponte: considerazioni economiche possono dettare la necessità di

scegliere il ponte d’attraversamento più breve possibile.

• Instabilità del canale: l’evidenza di instabilità del canale per cui si intende fenomeni di

degrado e di accumuli, movimenti laterali erosione degli argini e problemi idraulici gravanti su altri ponti nella stessa zona, devono essere considerati nella scelta della locazione.

• Lavori di manutenzione: i costi dei lavori di manutenzione influiscono sulla selezione del

luogo. Inoltre questa scelta risulta essere più difficile per fiumi il cui letto è meno stabile, cioè dove spesso alcuni tipi di manutenzione sono necessari. Luoghi che richiedono un minimo di lavori di manutenzione sono spesso preferibili, per esempio, a luoghi dove è possibile trovare rocce affioranti o altri controlli che limitano effettivamente il movimento laterale del canale del fiume.

• Locazione relativa alle curve: i ponti situati presso curve brusche del corso d’acqua

comportano problemi dovuti ai mutamenti del canale. In generale, luoghi situati lungo tratti rettilinei o lungo curve gentili sono preferibili perché luoghi del genere minimizzano la possibilità di un approccio obliquo del fiume e danno prova di una ragionevole distribuzione uniforme del flusso attraverso la sezione del ponte. Nella maggior parte dei fiumi la scelta è tra luoghi in curva o presso le zone di scambio. Presso le curve il canale risulta tipicamente più profondo e più angusto, mentre in corrispondenza delle zone di scambio il canale diventa più largo e probabilmente più stabile lateralmente.

• Influenze esterne: attività future o già esistenti come erosione del letto del corso d’acqua,

deforestazione e costruzioni come dighe possono portare a decidere di cambiare il luogo di progetto.

1.3.2 Fattori relativi alla fase di progetto

I seguenti fattori sono relativi al progetto delle fondazioni:

• Sovrastruttura del ponte: presso il ponte quando la sovrastruttura si introduce all’interno

del flusso del corso d’acqua, può verificarsi uno scavo dovuto alla contrazione del flusso. Risulta importante quindi progettare il ponte assicurando un’adeguata distanza tra il minimo livello d’acqua ed il più basso punto della sovrastruttura.

• Forma della pila: pile di ponti avente forma circolare hanno un effettivo vantaggio su tutte

le altre forme dovuto alla loro completa tolleranza ai cambiamenti del comportamento del flusso.

• Forma delle spalle: per le spalle situate vicino alle sponde del canale sono state

osservate considerevoli riduzioni della profondità di scavo se utilizzate con una forma piuttosto affusolata.

• Accumulo di detriti: in luoghi in cui i detriti trasportati dalla corrente sono ingenti, la

probabilità che si accumulino presso le fondazioni deve essere considerata.

1.4 Contromisure per gli scavi presso le pile dei ponti

Le contromisure per gli scavi presso le pile dei ponti possono essere raggruppate in due categorie: interventi di rafforzamento ed interventi per alterare il flusso.

1.4.1 Interventi di rafforzamento

All’interno di questa categoria si possono includere le seguenti contromisure:

• Accumulo di pietrame (riprap): il più comune metodo di protezione delle pile dei ponti

contro un eventuale scavo è l’utilizzo di uno strato di pietrame attorno alla pila, una tecnica ormai in uso da molto tempo. Il principio che sta dietro l’uso del riprap come

contromisura è quello che grosse pietre (più pesanti) dovrebbero essere in grado di sopportare meglio gli elevati sforzi di taglio che si verificano attorno alla pila rispetto ai grani dell’alveo. Durante gli studi in laboratorio di Parola (1993), Chiew (1995) e Melville (1997), furono osservate quattro meccanismi di rottura in cui il riprap perdeva la sua efficacia come contromisura:

1. Le pietre del riprap si trovano immerse nel flusso. Questo tipo di rottura avviene quando le singole unità dello strato armato non sono più in grado di resistere alle forze idrodinamiche indotte dal flusso.

2. Il materiale fine dell’alveo viene eroso e smosso attraverso i vuoti che si creano tra le pietre del riprap sotto l’azione della turbolenza del flusso. Questo solitamente si verifica in alvei di sabbia piuttosto che in quelli di materiali grossolano. Spesso per risolvere questo tipo di situazioni si utilizza uno strato agente da filtro.

3. Il fenomeno di scavo ai confini dello strato di riprap destabilizza le pietre dell’armamento.

4. Lo strato di riprap è indebolito dalla formazione di dune nelle sue vicinanze.

• “Materassi” di gabion e reno: una recente valutazione sul loro impiego negli Stati Uniti in

seguito a fallimenti di molte installazioni risulta piuttosto pessimistica riguardo al loro utilizzo; si è osservato infatti che la tensione tangenziale critica di Shields richiesta per far rimuovere una pietra in presenza dei materassi era solamente il doppio di quella richiesta per far muovere la stessa pietra in assenza del materasso.

• “Cocrete filled bags and mats”: sono delle sacche riempite di ciottoli e malta poste in

opera in modo da creare uno strato di rafforzamento. Le sacche possono anche essere fatte in fabbrica e unite tra loro a tappeto creando uno strato continuo di materiale. Questi interventi sono facilmente estraibili e come alternativa al riprap sono molto economici.

• “Cable tied blocks”: questo termine è usato in questo caso per rappresentare una classe

di contromisure comprendente un tappeto flessibile di unità più piccole interconnesse. Sebbene le singole unità potessero essere instabili prese da sole, il tappeto è in grado di sopportare forze molto maggiori. Il sistema è tipicamente costituito da blocchi di materiale solido o semisolido interconnessi con cavi d’acciaio.

1.4.2 Interventi per alterare il flusso

• Pile sacrificali: le pile sacrificali sono pile poste a monte della pila con lo scopo di

proteggerla dallo scavo. Le pile sacrificali, le quali potrebbero essere loro stesse soggette a scavo, proteggono la pila dalla scavo deviando il flusso ad alta velocità e creando una regione “calma” dietro di loro. L’efficacia di questo metodo di contromisura dipende dal numero di pile, dalla loro posizione (in parte o completamente sommerse) e dal loro assetto geometrico in relazione alla pila del ponte. Le pile possono essere sistemate in molti modi. Un assetto triangolare con il vertice del triangolo rivolto verso monte è stato dimostrato essere una delle migliori configurazioni realizzabili. Studi in laboratorio con pali sacrificali sono stati condotti da Chabert (1956), Chang e Karim (1972) e ancora da Wang (1994). Questi studi hanno mostrato una riduzione pari al 50% dello scavo grazie alla presenza dei pali sacrificali, anche se i dati raccolti furono tutti ottenuti da prove di durata limitata e quindi i risultati non sono molto attendibili. In generale le pile sacrificali non sono consigliate a meno che il flusso rimanga lineare e la sua intensità piccola.

• Collari: il concetto di usare sottili collari orizzontali vicino alla base delle pile per ridurre lo

scavo consiste nel difendere i sedimenti del letto dal flusso discendente e dai vortici a ferro di cavallo. Chiew (1992) raccolse una serie di dati per determinare l’effettivo spessore e posizione, rispetto al letto del fiume, del collare in relazione alle sue prestazioni. Questi dati mostrarono che lo scavo risultava dimezzato grazie all’uso di un collare di diametro doppio rispetto a quello della pila; non solo per ottenere la massima efficacia il collare sarebbe dovuto essere posizionato al di sotto del livello del letto.

• “Ali di Iowa”: Iowa (1987) propose l’introduzione di varie lamine o ali deflettenti per ridurre

lo scavo presso la pila, installate nel letto del corso d’acqua subito a monte della pila inclinati verso l’esterno. Inoltre, sempre a monte della pila, viene collocata orizzontalmente un’altra ala a forma di delta la cui punta è diretta verso monte. Questi interventi sono simili nel concetto, ognuno cioè intende deviare il flusso che avvicina la pila in modo da ridurre lo scavo; le ali di Iowa per esempio diminuiscono lo scavo inducendo correnti secondarie che interferiscono con gli con i vortici a ferro di cavallo.

• Fessure sulla superficie della pila: il principio base dell’utilizzo di queste fessure è sia

quello di deviare il flusso discendente e portarlo lontano dal letto sia quello di ridurre l’impatto dello stesso sul fondo. Chiew (1992) riportò alcuni risultati sull’utilizzo di questa tecnica. Lo studioso scopri infatti che una fessura posizionata vicino al letto di spessore pari ad un quarto della larghezza della pila comportava una riduzione dello scavo del 20%, mentre una posta vicino al pelo libero garantiva una riduzione pari del 30%.