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Christian Rickli

Forschungsanstalt WSL

Istituto federale di ricerca WSL
Torrenti, erosione e soliflussione
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Fax: +41 44 739 22 15

Articolo

Autore/i: Konrad Philipp Noetzli, Martin Frei, Albert Böll
Redazione: WSL, Svizzera
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Resistenza e funzionalità di briglie di legno quali opere di protezione torrentizia

Un caso esemplare di briglie torrentizie di legno di 60 anni

Il legno è un materiale prezioso ed apprezzato negli interventi di premunizione lungo gli alvei dei torrenti. A seguito dei processi di degrado biologico, con il passare del tempo la sua resistenza tuttavia diminuisce. Durante lo studio di un caso un gruppo di ricercatori ha esaminato direttamente lungo un torrente oggetto di un intervento di premunizione i tronchi di legno utilizzati attorno al 1940 per costruire tre briglie: le prove consistevano nel sottoporre le briglie a sforzi crescenti di flessione fino alla loro rottura. Ancora 60 anni dopo la loro messa in opera i due terzi dei tronchi testati presentavano un momento di rottura più elevato rispetto a quanto ipotizzato prima delle misurazioni.

Wildbachsperren in Hirzel
Figura 1 - Briglie di legno nella regione della Hirzel: le briglie torrentizie a parete unica esaminate necessitavano di un intervento di risanamento in quanto le ali laterali erano scomparse: in primo piano la briglia n° 1. L’ancoraggio nella scarpata alla sinistra dell’osservatore durante i lavori è stato rinforzato con dei blocchi rocciosi.
Foto: Martin Frei (WSL)

Nell’ambito degli interventi di premunizione torrentizia il legname, quale materiale da costruzione, vanta una lunga tradizione. Attualmente viene impiegato specialmente per opere situate in torrenti minori, laddove il trasporto di materiale solido è ridotto. Rispetto ad altri materiali da costruzione come il calcestruzzo o l’acciaio l’uso del legno comporta diversi vantaggi.

Da un lato esso è in genere disponibile e può essere preparato anche nella regione oggetto degli interventi di premunizione, mentre d’altra parte esso è relativamente poco costoso, la sua lavorazione è agevole e presenta un peso proprio ridotto, pur avendo un’elevata resistenza meccanica. Per questi motivi il legno può essere impiegato anche per opere costruttive in zone con suoli a debole portanza, nei quali le briglie di calcestruzzo richiederebbero fondazioni costose. Inoltre le opere di legno, se paragonate a quelle in calcestruzzo, sono relativamente poco sensibili alle deformazioni provocate da movimenti del terreno, situazione che su pendii instabili può costituire un vantaggio decisivo.

Quanto durano le briglie torrentizie costruite con il legno?

Il legname non trattato esposto all’aria è sottoposto a processi di decomposizione naturale da parte di funghi o di altri microrganismi. Il legno è particolarmente vulnerabile allorquando è permanentemente a contatto con il terreno e con l’acqua, condizioni che tuttavia sono assai frequenti negli interventi di premunizione di torrenti durante i quali si ricorre all’uso di questo materiale. Queste situazioni pongono quindi la questione di come si sviluppa a lungo termine la funzionalità delle briglie torrentizie.

Fino ad oggi gli studi sul comportamento nel tempo delle briglie costruite nei torrenti si sono basati unicamente su una valutazione visiva della funzionalità e del grado di decomposizione delle opere. Il grado di resistenza effettivo e momentaneo degli elementi di legname tondo messi in opera rimaneva tuttavia una grandezza sconosciuta. Per stabilire il grado di funzionalità di una costruzione è fondamentale poter valutare le modifiche della resistenza meccanica dei tronchi messi in opera nelle condizioni specifiche presenti all’interno degli alvei dei torrenti. Solamente la conoscenza di queste misure permette in effetti di valutare con cognizioni di causa il comportamento e la funzionalità a lungo termine di opere di premunizione in ambito torrentizio.

Verifica della resistenza e della funzionalità

Le briglie di un torrente di legno di principio devono essere valutate e testate in relazione alle medesime sollecitazioni e sforzi alle quali sono sottoposte le briglie di cemento armato. La verifica della funzionalità viene normalmente valutata secondo le norme svizzere SIA sulle costruzioni di legno. Il dimensionamento dei singoli elementi di legno tondo si basa su una azione preponderante determinata dalla pressione idrostatica dell'acqua in caso di invaso completo dello sbarramento senza riempimento (figura 2a). In caso di riempimento posteriore con pendenza accentuata (per es. nelle briglie costruite all’interno di canaloni) nel calcolo delle azioni si deve tenere conto anche della pressione dovuta al terreno.

Ad una prima approssimazione il sistema statico che agisce su un tronco di legno tondo messo in opera può essere equiparato ad una trave semplice (figura 2b). Gli appoggi ideali vengono ipoteticamente situati in corrispondenza della metà della parte ancorata lateralmente al terreno. Questo modello statico è caratterizzato da un momento flettente massimo Mmax = q·L2/8 che agisce al centro della trave, nel quale q corrisponde alla risultante della forza lineare provocata dal carico idrostatico e L alla lunghezza dell’elemento di legno tondo misurata tra i due appoggi.

Rappresentazione schematica delle briglie esaminate

Figura 2 - Rappresentazione schematica delle briglie esaminate.

a) Nel dimensionamento si ipotizza l’effetto della pressione idrostatica
in caso di invaso completo, ma senza riempimento posteriore.

b) Dalla pressione idrostatica esercitata dall’acqua risulta che su ogni
tronco di legname tondo grava un carico lineare q. Il momento flettente
massimo Mmax agisce al centro della trave.

c) La fune metallica che durante le prove è stata fissata al centro della
trave genera un diagramma dei momenti di forma triangolare. Il
momento flettente massimo Mmax si trova anche in questo caso al
centro della trave.

Prove di rottura alla flessione

Biegebruchversuch an einer einwandigen Holzsperre
Traktor
Biegebruchversuch an einer einwandigen Holzsperre
Figura 3 - Prove di rottura tramite flessione esercitata su elementi di una briglia di legno a parete semplice. La sollecitazione viene esercitata al centro della trave per mezzo di una fune metallica tirata da un verricello montato su trattore.
Foto: Martin Frei (WSL)
 

Le prove di flessione preliminari eseguite su una briglia costruita una sessantina di anni prima hanno dato valori di resistenza alla rottura relativamente elevati da parte dei tronchi di legno messi in opera. L’obiettivo perseguito tramite una ricerca più consistente e basata su un numero maggiore di misurazioni era quello di ottenere dei valori di riferimento sulla resistenza presentata dai tronchi diversi decenni dopo la loro messa in opera.

La ricerca è stata eseguita lungo l’alveo di un torrente completamente ombreggiato situato sul versante esposto ad Ovest dello Zimmerberg (montagna situata nel Comune dello Hirzel, Cantone di Zurigo). Secondo le indicazioni fornite dal Servizio forestale locale le briglie di protezione torrentizia erano state costruite con tronchi di abete bianco e abete rosso durante gli anni tra il 1939 ed il 1945. All’epoca dello studio, durante l’autunno del 2000, il Servizio forestale riteneva che l’insieme delle opere di premunizione necessitasse di un intervento di risanamento sulla base di un progetto che per il 2001 prevedeva la sostituzione di tutte le briglie. Per la ricerca sono state scelte 3 briglie di legno situate ad una quota di circa 650 m s.l.m. (vedi figura 1).

L’impianto sperimentale corrispondeva al modello idealizzato sopra descritto. I ricercatori hanno dapprima estratto i chiodi di fissaggio che ancoravano i tronchi l’uno all’altro in modo da testare i singoli elementi costruttivi, escludendo in tal modo la distribuzione verticale dei carichi. La sollecitazione su ogni singolo tronco di legno tondo è stata esercitata tramite un carico unico generato dalla trazione di una fune metallica fissata al centro del tronco (figura 2c). In questo modo – analogamente a quanto previsto dal modello di dimensionamento – il momento di campata massimo che agisce al centro della trave può essere calcolato con la formula Mmax = Q·L/4. La lunghezza L (che variava tra i 3,5 e i 6 m) è stata calcolata dagli specialisti coinvolti secondo la formula geometrica L = L’+1⁄2(T1+T2), nella quale L’ corrispondeva alla lunghezza dei tronchi visibile, mentre le profondità di ancoraggio nel terreno T1 e risp. T2 sono state misurate dopo avere eseguito le prove di rottura (cfr. schema della figura 2a). La forza di flessione che sollecitava fino alla rottura gli elementi di legno che componevano le briglie esaminate è stata generata tramite la trazione di una fune metallica tirata da un verricello montato ed alimentato da un trattore (figura 3).

La forza Q è stata misurata tramite un dinamometro fissato alla fune traente che registrava, per mezzo di un Datalogger, i valori ad intervalli di 0.25 secondi. Questa configurazione permette di identificare sia l’andamento delle forze durante la sollecitazione così come pure la forza di rottura Qu (resistenza massima). Dopo aver effettuato le prove meccaniche, per ogni singolo tronco è stato misurato il diametro mediano (punto corrispondente a L’/2), che variava tra i 14 e i 22 cm, ed è stato registrato il numero delle rotture osservato. I ricercatori hanno poi cercato di annotare la sequenza temporale delle rotture, differenziazioni che nella realtà sono risultate impossibili da farsi in quanto i cedimenti avvenivano ad intervalli di tempo troppo ravvicinati.

Risultati

Globalmente le prove sono state effettuate su 14 tronchi: 7 di essi appartenevano alla prima briglia, 4 alla seconda e 3 alla terza. Durante le prove meccaniche ben 11 tronchi si spezzarono sia nella zona centrale che in entrambe le estremità laterali ancorate al terreno, 2 al centro e ad una sola estremità, mentre un unico elemento di legno si ruppe solamente nella parte centrale.

Le misurazioni eseguite in campo hanno mostrato il valore mediano dei momenti di rottura Mu dei tronchi messi in opera nelle briglie 60 anni prima è risultato essere di un fattore 1.2 superiore al valore limite di resistenza alla flessione MR calcolato in base alle dimensioni. Da notare che nella bibliografia il legname di abete bianco e specialmente quello di abete rosso sono generalmente classificati come poco durevoli e che il legno, quando è a contatto con il terreno e con l’acqua, possiede una durabilità piuttosto limitata. I momenti di rottura registrati hanno tuttavia dimostrato che, perlomeno per gli oggetti esaminati in questo studio, anche dopo diversi decenni si può presumere che la resistenza del legname sia ancora sufficiente. Nell’interpretare questi risultati bisogna tuttavia tenere conto che le prove effettuate non sono corrispondenti completamente ed in tutti i fattori alle condizioni ipotizzate dal modello utilizzato per queste misurazioni. I seguenti aspetti potrebbero avere influenzato i risultati dei rilevamenti effettuati:

  • materiale esaminato (le norme SIA non differenziano tra legname tondo e segato);
  • sistema statico (le estremità corrispondenti agli appoggi non sono libere e gli ancoraggi nel terreno alle due estremità potrebbero presentare condizioni differenti);
  • configurazione delle prove (le strozzature provocate dalla fune sul punto di fissaggio potrebbe avere schiacciato le fibre legnose);
  • approccio adottato nell’elaborazione dei dati (invece delle prove di sicurezza basate sulla tensione ammissibile utilizzate nella norma SIA, si sono utilizzati i momenti di rottura con i valori limite di resistenza alla flessione calcolati).

Considerazioni conclusive

La questione della sicurezza a lungo termine non riguarda unicamente le briglie costruite utilizzando il legname in tronchi. In tutte le opere di premunizione edificate contro i pericoli naturali sia i fenomeni che agiscono sulle strutture che anche le caratteristiche delle strutture stesse possono modificarsi nel corso del tempo. Nel caso specifico esaminato i valori di resistenza alla flessione Mu (sottoposti a carichi di rottura) su due terzi dei tonchi analizzati dopo 60 anni erano comunque ancora superiori ai valori limite di resistenza alla flessione MR presumibili ("momenti flettenti di rottura calcolati"). Se confrontati con i momenti di flessione ammissibili Mzul in base alle norme SIA 164 (1992) e rispettivamente alla loro versione aggiornata SIA 265 (2003) tutti gli elementi legnosi hanno soddisfatto le esigenze di resistenza richieste, malgrado essi siano stati sottoposti per diversi decenni alle condizioni tipiche di umidità variabile presenti nelle opere di premunizione costruite lungo i torrenti.

Non bisogna tuttavia dimenticare che la durata reale di una briglia costruita con tronchi di legno non dipende solo dalla decomposizione biologica del materiale, ma anche da altri processi. Si evidenziano ad esempio le lesioni meccaniche provocate dagli impatti della componente solida sulle strutture durante le colate detritiche o l’erosione causata dal trasporto solido. Se si parte dall’ipotesi di risanare le briglie di legno all’incirca ogni 40 anni, perlomeno secondo quanto dimostrato di risultati delle prove documentate in questo ambito, il dimensionamento degli elementi sulla base delle norme SIA 164 (1992) e SIA 265 (2003) sembra essere idoneo per garantire una funzionalità delle strutture che duri sufficientemente a lungo.

I risultati acquisiti durante il presente studio di un caso dovranno essere convalidati da ulteriori ricerche. Particolarmente significativi sono ad esempi i casi che presentano condizioni meno favorevoli come quelle vigenti in alvei fortemente esposti al sole e/o con deflussi d’acqua che non sono permanenti.


  • Traduzione: Fulvio Giudici, Camorino

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