Lo scalzamento dei ponti: nuova emergenza?

Lo scalzamento di pile e spalle dei ponti fluviali dovuto all'azione della corrente è statisticamente la prima causa di crollo dei ponti nel mondo.

Uno studio del Joint Research Center (JRC) della Commissione Europea, stima che in Italia circa il 40% delle opere potrebbe necessitare di interventi volti a mitigare l’incremento dei fenomeni di piena dei fiumi che possono rendere più vulnerabili le infrastrutture di trasporto.

Come intervenire? Quali sono le cause che portano al fenomeno dello scalzamento e come si presenta?

L'approfondimento dell'Ing. Riccardo Pefano.

Figura 1 - Collasso del ponte Augustus a Dresda il 31 Marzo 1845 in una stampa dell’epoca (Merz, 2007)

La sicurezza strutturale dei ponti e il fenomeno dello scalzamento 

Nella vastissima produzione di studi sul cambiamento climatico di questi decenni sono comprese numerose ricerche sulla vulnerabilità delle infrastrutture di trasporto e in particolare, nel caso dei ponti, sullo scalzamento di pile e spalle, fenomeno a cui queste strutture potrebbero essere soggette con maggiore frequenza e intensità rispetto al passato.

Facendo soltanto un breve cenno ad alcune di esse, possiamo ricordare come uno studio del Joint Research Center (JRC) della Commissione Europea, stimi che in Italia circa il 40% delle opere potrebbe necessitare di interventi per mitigare l’atteso incremento dei fenomeni di piena dei fiumi, mentre una ricerca pubblicata dall’American Society of Civil Engineers (ASCE) prevede per gli attraversamenti fluviali della rete stradale statunitense un incremento del 10% dei crolli e del 15% dell’entità economica del danno rispetto ai valori correnti.

Anche il documento ‘Linee Guida per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza e il monitoraggio dei ponti esistenti’, recentemente emesso dal Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, nell’ambito della definizione dei metodi ispettivi delle strutture esistenti, individua il fenomeno dello scalzamento come uno dei principali ‘elementi critici per la sicurezza strutturale’, identificati come quelle condizioni o quegli elementi “particolarmente soggetti ai fenomeni di degrado e i cui eventuali malfunzionamenti possono incidere significativamente sul comportamento strutturale globale del ponte…”.

Che cos'è lo scalzamento?

Sebbene il fenomeno dello scalzamento, ovvero la rimozione dovuta alla corrente di materiale solido attorno ai sostegni immersi di una struttura, sia abbastanza intuitivo da comprendere, occorre considerare che esso ha svariate cause e può presentarsi in diverse forme. È comunemente accettato di considerare lo scalzamento come il risultato della combinazione dei tre seguenti processi.

1) Scalzamento naturale (natural scour)

È un fenomeno legato all'instabilità generale dell’alveo e alla normale azione della corrente che può determinare abbassamenti o innalzamenti del fondo, attraverso erosione o deposizione di materiale solido. È indipendente dalla presenza o meno di un manufatto e avviene lentamente in condizioni normali, ma molto rapidamente e quindi pericolosamente durante piene e inondazioni.

I corsi d’acqua interessati da elevate percentuali di trasporto litoide (trasporto solido) come i fiumi con letti sabbiosi e ghiaiosi, sono naturalmente i più soggetti a instabilità di questo tipo, che risulta influenzata da numerosi altri fattori tra cui rientrano anche attività umane come rimodulazioni artificiali dell’alveo, deforestazioni e urbanizzazioni.

L’alveo subisce in questi casi alterazioni morfologiche sia in sezione longitudinale sia in pianta e si comprende immediatamente come tali modificazioni possano minare la stabilità dei ponti: in sezione longitudinale, l’abbassamento del livello del fondo dovuto all’erosione può scoprire e sguarnire pericolosamente le fondazioni, mentre le alterazioni in pianta possono comportare altri tipi di problemi come la deviazione del flusso principale su campate originariamente marginali fondate a un livello superiore o modificare la direzione della corrente, su cui era stata studiata la disposizione e la conformazione delle sottostrutture di progetto.

2) Erosione da contrazione (contraction scour)

La presenza di un manufatto determina un restringimento della sezione idraulica (non solo in larghezza, ma, durante gli eventi di piena, anche in altezza se il livello del fiume raggiunge l’intradosso dell’impalcato); il conseguente aumento della velocità della corrente può causare un abbassamento del letto per erosione, che ha luogo generalmente su tutta l’estensione in larghezza del corso d’acqua. L’effetto di questo tipo di erosione può essere apprezzato una volta terminato l’evento di piena, a meno che il possibile rideposito di materiali più leggeri (limi, argille) non renda lo scalzamento effettivo difficile da rilevare.

3) Erosione localizzata (local scour)

È un effetto dovuto alla turbolenza che si crea nell’intorno di un ostacolo (pila o spalla) al fluire della corrente. In questo caso il disturbo e la deviazione verso il basso delle linee di flusso formano vortici in grado di provocare l’asporto di materiale a monte della pila con la creazione di una fossa e il suo rideposito a valle, fino al raggiungimento di uno stato di equilibrio quando i vortici con il progredire dello scavo tendono a perdere energia. Il fenomeno è influenzato da diversi fattori come la conformazione della pila e la direzione della corrente rispetto alla stessa, oltre alla velocità della corrente, al materiale d’alveo e al trasporto di detriti.

Figura 2 - Le diverse tipologie di scalzamento in corrispondenza del ponte (Melville e Coleman, Water Resources Publications, 2000)

In generale, il fenomeno dello scalzamento è influenzato anche dal contenuto di materiale solido trasportato dalla corrente, per cui si è soliti suddividere le tre tipologie descritte in ulteriori due sottotipi, ovvero:

• Scalzamento da acque chiare (clear water scour): quando il trasporto di materiale solido non è eccessivo, il materiale asportato e rimosso non è compensato da nuovi apporti da monte in corrispondenza del ponte: lo scalzamento formatosi resta visibile e rilevabile con ispezioni subacquee o con altre tecniche di rilievo.
• Scalzamento da letto attivo (live bed scour): il trasporto di materiale solido è significativo e, durante un evento di piena, provoca successivi fenomeni di erosione e deposizione, che rendono lo scalzamento di non facile individuazione.

Scalzamento: gli interventi di rinforzo e di adeguamento dei ponti

A livello progettuale, l’indicazione fondamentale per il calcolo strutturale è la determinazione della profondità massima dello scavo che lo scalzamento può provocare in corrispondenza dell’opera e che risulta funzione delle tre componenti descritte. 

Il fenomeno è naturalmente complesso, dipendendo da una serie di fattori di non semplice definizione.  Esiste comunque una vasta letteratura in merito che può essere di supporto al progettista.

Anche nel caso dell’adeguamento di ponti esistenti esistono svariate tecniche di intervento.

Scarica il PDF in ALLEGATO per approfondire i principali interventi di rinforzo.

All'interno del documento è presente anche un caso esemplare che ripercorre le cause che hanno portato al crollo del ponte ferroviario sul fiume Towy in Galles nell'ottobre del 1987.