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 GRAVITA’ 11

........................................................................

5.1.1 DIGHE A GRAVITA’ ORDINARIE ............................................................. 12

5.1.2 DIGHE A GRAVITA’ 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-GRAVITA’ 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’ATTIVITA’ SPERIMENTALE 50

................................

7.2 ATTIVITA’ SPERIMENTALE 52

............................................................

7.2.1 CALCESTRUZZO “VECCHIO STILE” 60

.........................................

7.2.2 CALCESTRUZZO MODERNO 64

....................................................

8 CONCLUSIONI 70

.....................................................................................

BIBLIOGRAFIA 73

........................................................................................

3

4 Ringrazio i miei relatori e Unical

per l’aiuto e il sostegno fornito

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6

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

3

d’invaso, nonché ogni sbarramento con invaso superiore a 100000

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. 10

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 GRAVITA’

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. 11

5.1.1 DIGHE A GRAVITA’ 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 2Diga 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

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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 risetto 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) 14

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