Analisi storica e confronto dei calcestruzzi e dei metodi di costruzione delle dighe di ritenuta nel passato e nel presente

Scuola di ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria civile, edile, ambientale

Analisi storica e confronto dei calcestruzzi e dei metodi di costruzione delle dighe di ritenuta nel passato e nel presente

Candidato Vittorio Grasso

Relatore Prof. Ing. Maurizio Orlando

Correlatore Dr. Marco Francini

Anno Accademico 2023-2024

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Sommario

• 1 Introduzione 7.....................................................................................
• 2 Le dighe 8...............................................................................................
• 2.1 Definizione e considerazioni generali 8.............................
• 3 Tipologie di dighe di ritenuta 9.....................................................
• 3.1 Tipologie 9......................................................................................
• 4 Dighe in materiali sciolti 10............................................................
• 5 Dighe di calcestruzzo 11................................................................
• 5.1 Dighe a gravità 11........................................................................
• 5.1.1 Dighe a gravità ordinarie ............................................................. 12
• 5.1.2 Dighe a gravità alleggerite ......................................................... 16
• 5.2 Dighe a volta 19.............................................................................
• 5.2.1 Dighe ad arco .................................................................................. 20
• 5.2.2 Dighe a cupola ................................................................................ 24
• 5.2.3 Dighe ad arco-gravità 26.......................................................
• 6 Calcestruzzo 30.................................................................................
• 6.1 Introduzione 30............................................................................
• 6.2 Evoluzione dei cementi 31........................................................
• 6.3 Evoluzione dei calcestruzzi.............................................. 34
• 7 Metodi di costruzione 40.................................................................
• 7.1 Premessa all’attività sperimentale 50................................
• 7.2 Attività sperimentale 52............................................................
• 7.2.1 Calcestruzzo “vecchio stile” 60.........................................
• 7.2.2 Calcestruzzo moderno 64....................................................
• 8 Conclusioni 70.....................................................................................
• Bibliografia 73........................................................................................

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Ringrazio i miei relatori e Unical per l’aiuto e il sostegno fornito

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1 Introduzione

Questo elaborato mira a fornire una panoramica generale sulla tematica delle dighe in calcestruzzo dal punto di vista storico e tecnico. Sono stati indagati gli aspetti evolutivi del materiale, e soprattutto le sue dirette implicazioni a livello di logistica in fase di costruzione di queste grandi opere. Si è poi svolta un’attività sperimentale che ha visto compiere un’operazione di “archeologia industriale” per ricostruire un prototipo di un calcestruzzo utilizzato per la costruzione delle dighe nel passato; e la produzione di un calcestruzzo moderno alla luce delle conoscenze di oggi. Questi due prodotti sono stati poi messi a confronto per evidenziare come l’evoluzione tecnologica e della scienza dei materiali possano permettere di facilitare la realizzazione di queste importanti strutture.

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2 Le dighe

2.1 Definizione e considerazioni generali

Dall’enciclopedia “Treccani”

“Le dighe sono barriere, naturali o artificiali, che interrompono il corso delle acque creando un bacino artificiale. Sono utilizzate per produrre energia elettrica, ma anche per regolare il comportamento dei fiumi riducendo il rischio di inondazioni per gli abitanti che si trovano a valle, nonché per avere riserve di acqua da utilizzare a fini agricoli.” (Carobene, 2005)

Come emerge dalla definizione, le dighe rappresentano uno degli strumenti più importanti che l’uomo ha introdotto al fine di “governare” le acque. Esse portano alla creazione di bacini artificiali, che possono essere utilizzati come riserva d’acqua utilizzabile tanto per l’agricoltura quanto per la produzione di energia elettrica. La principale funzione, tuttavia, è costituita dalla difesa del territorio dalle acque di piena, arginando quindi le inondazioni. Per comprenderne l’importanza, basti pensare che nel 2000, il rapporto della commissione mondiale sulle dighe (The report of the world Commission on dams) stima che: “per quanto riguarda la produzione di energia elettrica, le dighe sono una fonte cruciale di energia idroelettrica, fornendo il 19% dell'energia elettrica mondiale. Questo tipo di energia è considerato relativamente pulito e rinnovabile, e rappresenta una parte significativa dell'elettricità in molti paesi, specialmente quelli con risorse limitate di combustibili fossili” (Dams, 2000). Per quanto riguarda l’agricoltura invece: “le dighe forniscono acqua per l'irrigazione, che è vitale per la produzione alimentare e la sicurezza alimentare. Circa un quinto delle terre agricole mondiali è irrigato, e l'agricoltura irrigua contribuisce al 40% della produzione agricola globale” (Dams, 2000).

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3 Tipologie di dighe di ritenuta

Definizione amministrativa

La definizione amministrativa descrive le dighe di ritenuta come “Ogni sbarramento con un’altezza superiore a 10 metri, per qualsiasi entità d’invaso, nonché ogni sbarramento con invaso superiore a 100000 m³ qualunque ne sia l’altezza.” (R.D. n.1370 del 1/10/1931)

3.1 Tipologie

Secondo il DM 26 giugno 2014: “Norme tecniche per la progettazione e la costruzione degli sbarramenti di ritenuta (dighe e traverse).” Le principali tipologie di diga, si suddividono in due grandi categorie: Le prime sono rappresentate dalle dighe in materiali sciolti, a loro volta suddivise in:

• Di terra omogenea
• Di terra e/o pietrame, con struttura di tenuta interna
• Di terra e/o pietrame, con struttura di tenuta esterna.

È importante sottolineare che questa tipologia d’invasi non sarà oggetto di questo documento, ne verrà tuttavia data una descrizione sommaria nel prossimo capitolo.

L’altra grande categoria è rappresentata dalle dighe di calcestruzzo, suddivise in:

Dighe a gravità:

• Ordinarie
• Alleggerite

Dighe a volta:

• Ad arco
• Ad arco gravità
• A cupola

Su di queste si svilupperà l’intero elaborato.

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4 Dighe in materiali sciolti

Questa tipologia di dighe consiste in invasi realizzati tramite materiali provenienti da depositi naturali o da formazioni rocciose.

La scelta di realizzare una diga in materiali sciolti piuttosto che una in calcestruzzo dipende da innumerevoli fattori, sono importanti da citare i motivi di carattere economico e le valutazioni di tipo tecnico, come la natura del suolo, la geologia del sito e la disponibilità di depositi di materiali idonei per la realizzazione dell’opera a distanze ragionevoli dal sito di costruzione.

I materiali utilizzati per la realizzazione del corpo diga possono essere suddivisi in due categorie, “rockfill” nel caso di dighe in pietrame, composte da materiale (pietrame) con una pezzatura massima compresa nell’intervallo 0,5 m – 1 m e “earthfill” per le dighe in terra, costituite da argilla, argilla sabbiosa, sabbia limosa, inserendo a volte anche la ghiaia in miscele ben graduate.

Come per ogni invaso, le funzioni di base del corpo diga sono quelle di fornire stabilità all’intera opera rispetto alla spinta dell’acqua e garantirne l’impermeabilità. (Tretola, 2021)

Figura 1-diga di Mica, Canada, diga in materiali sciolti. (web)

In Toscana, vicino Firenze, una famosa diga in materiali sciolti è la diga di Bilancino, la quale costituisce un esempio di diga in terra con nucleo di tenuta interno.

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5 Dighe di calcestruzzo

Le dighe di calcestruzzo storicamente rientrano nella più grande categoria delle dighe murarie, le quali rappresentano la tipologia di dighe maggiormente utilizzata fino a tutto il XIX secolo per la realizzazione di grandi dighe. Se ne possono distinguere principalmente due grandi famiglie, costituite da quella delle dighe a gravità e quella delle dighe a volta.

Le dighe murarie sono costruite principalmente in muratura, calcestruzzo o pietra e sono progettate per resistere a grandi pressioni idrauliche; ogni tipologia presenta le proprie peculiari caratteristiche.

A differenza delle dighe in materiali sciolti, le dighe murarie possono essere tracimate dall’acqua. Tali dighe, data la loro struttura rigida, devono essere costruite su terreni di fondazione stabili ed impermeabili, ovvero terreni costituiti da rocce coerenti. La progettazione deve quindi considerare una preliminare e profonda indagine geologica atta a determinare in primis lo spessore dei detriti sul basamento roccioso, i quali dovranno poi essere rimossi prima dell’inizio della costruzione dell’invaso. Devono essere inoltre determinate le caratteristiche dei materiali costituenti il basamento roccioso, la loro disposizione e stratificazione e i rapporti di giacitura tra le singole rocce. (Ghinami, s.d.)

5.1 Dighe a gravità

Le dighe a gravità possono essere realizzate in calcestruzzo o in muratura, nello sviluppo del seguente documento verrà tralasciata la descrizione legata alle dighe in muratura, prediligendo invece le dighe in calcestruzzo.

Le dighe a gravità sono da sempre la tipologia più comune nella costruzione delle grandi dighe, quantomeno nel mondo occidentale. (trasporti, dighe a gravità alleggerita e dighe a gravità massiccia., 2022)

Questa tipologia di invasi è caratterizzata principalmente dalla capacità di resistere alla spinta dell’acqua grazie al proprio peso. Si distinguono due rami di dighe a gravità: dighe a gravità massicce (ordinarie) e dighe a gravità alleggerite.

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5.1.1 Dighe a gravità ordinarie

“Si definiscono a gravità ordinarie le strutture di calcestruzzo, posto in opera secondo quanto stabilito al cap. D.1.1., ad asse planimetrico rettilineo o a debole curvatura, con profilo trasversale fondamentale triangolare a sezioni orizzontali piene, divise in conci da giunti permanenti, secondo piani normali al loro asse, posti a distanze sufficienti a prevenire fessurazioni da cause termiche o da ritiro.” (trasporti, DECRETO 26 giugno 2014)

La diga a gravità ordinaria, più comunemente nota come “massiccia” (figura 2) rappresenta la tipologia di diga di maggior volume e storicamente più importante e maggiormente diffusa in Italia. La più grande mai costruita fino ad oggi è la diga delle tre gole in Cina, la quale ha richiesto l’utilizzo di 28 milioni di metri cubi di calcestruzzo, con 185 metri di altezza e 2310 metri di lunghezza.

La diga più alta del mondo è attualmente la Jinping -1, sul fiume Yalong in Cina, con i suoi 305 metri di altezza. Verrà superata a fine costruzione dalla diga di Rogun in Tagikistan, che arriverà a svettare fino a 335 metri. La diga con la portata maggiore di acqua è invece la diga di Kariba, costruita sul fiume Zambesi tra Zambia e Zimbabwe: alta 128 metri, lunga 579 metri per una capacità di ben 185 miliardi di metri cubi. (Enel, Diga, s.d.)

Nelle dighe a gravità massicce l’effetto resistente è dovuto esclusivamente al peso proprio della struttura (oltre all’attrito/coesione con la roccia di fondazione), si tratta quindi essenzialmente di un muro contro la spinta dell’acqua. Nelle costruzioni moderne il profilo base del muro è un triangolo con il vertice al livello della massima ritenuta (strutture a sezione trasversale triangolare) e con sovrapposto un coronamento, che può essere sede di una strada. La disposizione planimetrica è preferibilmente rettilinea (per via della maggiore semplicità costruttiva). (Ghinami, s.d.)

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Figura 2 Diga a gravità ordinaria (Green.it "Gilgel Gibe III: la diga italiana che toglie l’acqua a Etiopia e Kenya")

Nel corso della storia il dimensionamento e la progettazione delle dighe a gravità massicce si basavano su criteri empirici: nella migliore delle ipotesi la diga era assimilata ad un solido monolitico di cui si imponeva la stabilità con riferimento al piano di fondazione considerando l’ipotesi di ribaltamento per le dighe murarie (e la rottura per strati orizzontali per le dighe in terra) (Bossut, 1762). Ciò dava origine a strutture di grande volume e sezioni trasversali eccessive rispetto agli attuali standard con un utilizzo di materiale estremamente superiore rispetto al necessario. Grazie a questa sovrabbondanza alcune delle dighe a gravità massicce del passato sono giunte fino a noi in ottime condizioni rappresentando di fatto un reperto storico e culturale di cui tutti possiamo beneficiare, ma anche strutture ancora funzionanti che svolgono perfettamente il loro lavoro, le più maestose di queste si trovano in Spagna, paese che era considerato il più evoluto d’Europa per quanto riguarda le opere di irrigazione (tra cui di fondamentale importanza le dighe). La diga di Alicante, anche nota come diga di Tibi, è stata per lungo tempo la più imponente tra le dighe spagnole, con un'altezza di 46 metri; al momento della sua costruzione era la seconda diga più alta al mondo, superata solo dalla diga ad arco di Kurit in Iran. Tuttavia, poiché la diga di Kurit non era conosciuta in Europa, si riteneva comunemente che la diga di Alicante fosse la più alta mai costruita. Realizzata tra il 1579 e il 1594, è ancora oggi operativa. (trasporti, 2022)

Prima di arrivare alla costruzione delle dighe a gravità in calcestruzzo, nel corso della storia questa tipologia di sbarramenti si è evoluta partendo da quelle in muratura. Questo elaborato tratta le dighe di calcestruzzo, tuttavia va sicuramente fatta menzione alle dighe a gravità in muratura. Attraverso il loro sviluppo, infatti, specialmente a livello di metodi di costruzione, si è arrivati, alle conoscenze che hanno permesso di sviluppare la costruzione di queste opere anche utilizzando il calcestruzzo, introducendo i criteri di dimensionamento basati su specifiche relazioni tra le forze in gioco e le caratteristiche meccaniche dei materiali. Esistevano due principali metodi di realizzazione che nel corso della storia hanno caratterizzato la costruzione delle dighe a gravità in muratura. Il primo, più antico. È il metodo della muratura “a sacco”, ove due paramenti fungevano da casseforme per un riempimento in cui si gettava alla rinfusa un calcestruzzo formato da pietrame misto a scarti di tegole e mattoni, legato con malta di calce o con calce e pozzolana nelle opere idrauliche. L’altro, più accurato e affidabile, era il cosiddetto metodo di costruzione “a giunti incerti”. In questa modalità costruttiva ogni pietra veniva posizionata su un letto di malta e gli spazi vuoti riempiti con pietre di dimensione minore, così da garantire l’assenza di vuoti. Per ottenere la perfetta connessione tra le parti, le pietre venivano posizionate “a giunti incerti”, ovvero senza seguire una particolare traiettoria o stratificazione orizzontale, così che ogni pietra si incastrasse saldamente con quelle sottostanti (figura 3). Questo garantiva anche un elevato grado di impermeabilità alla struttura rispetto al metodo della muratura “a sacco”. Tramite gli studi iniziati da De Sazilly (poi seguiti da Graeff, Delocre e Krantz) nella seconda metà dell’Ottocento, si è arrivati a definire i primi profili scalettati e poi continui delle dighe a gravità. (Ghinami, s.d.) (trasporti, 2022)

(a) (b)

Figura 3: La diga del lago Vyrnwy, terminata nel 1888 (Ghinami, s.d.) (a); Muro a sacco con paramenti in pietra (wikipedia) (b)

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Contemporaneamente agli sviluppi sulle dighe in muratura si assiste ad importanti sviluppi nella tecnologia dei materiali. Nel 1824 viene brevettato il cemento Portland, il quale sarà destinato a rivoluzionare il mondo delle costruzioni, ed in particolare saranno proprio le dighe a gravità a farne largo uso. Il cemento Portland presentava infatti il vantaggio di velocizzare notevolmente i processi costruttivi e di risolvere in modo sostanziale, rispetto alle costruzioni in muratura, i problemi di impermeabilità. Negli anni a cavallo tra la fine dell’Ottocento e l’inizio del Novecento si iniziavano a vedere le prime realizzazioni di dighe in calcestruzzo, anche grazie all’invenzione del calcestruzzo armato, che permetteva di ovviare ai problemi di scarsa resistenza a trazione dei calcestruzzi semplici. La prima diga in calcestruzzo (in Europa) viene realizzata nel 1872, in Svizzera. Tuttavia, l’esempio più significativo, che segnò di fatto la svolta nella costruzione delle dighe fu senza dubbio la costruzione della diga di Hoover, completata nel 1935 sul fiume Colorado tra Nevada e Arizona (figura 4). Questa diga era di dimensioni estremamente notevoli rispetto alle dighe in calcestruzzo costruite fino a quel momento, e richiese 3.33 milioni di metri cubi di calcestruzzo.

Figura 4 Hoover Dam (Wikipedia)

Negli ultimi decenni le dighe a gravità hanno subito un grande sviluppo grazie