Capitolo 1

LE GRANDI DIGHE ITALIANE

1.1 Concetti Introduttivi

1.1.1 La Risorsa AcquaNegli ultimi anni la materia di gestione e conservazione delle risorse idriche ha attirato

sempre pi lattenzione a livello mondiale, stante la consapevolezza che ha ogni cittadino

oggi della limitatezza del bene acqua. Lacqua stata sempre vista come una risorsa da

sfruttare per il benessere socio-economico il suo utilizzo nel corso del tempo si ampliato

coinvolgendo, oltre alle attivit tradizionali, quali irrigazione ed approvvigionamento,

anche le attivit industriali come la produzione di energia elettrica. Le svariate attivit di

sfruttamento richiedono una sempre maggiore necessit dacqua che spesso non pu essere

soddisfatta in maniera naturale. Infatti, la risorsa idrica limitata nello spazio e nel tempo:

su circa 500 milioni di chilometri cubi dacqua sulla terra, solo il 2% sono acque dolci, e di

queste solo l1-2% controllato. Inoltre importante anche la qualit dell'acqua in

relazione allo scopo, approvvigionamento idrico potabile o irriguo delle coltivazioni [1].

Tuttavia, le acque dei corpi idrici costituiscono ecosistemi nei quali abitano e si sviluppano

diverse specie viventi: un deterioramento della qualit delle acque determina conseguenze

anche sullequilibrio ecologico dellintero ecosistema fluviale.

Unidea di uso razionale delle acque di impedire che le onde di piena siano

convogliate rapidamente in mare, per essere invece trattenute sul territorio e quindi

sfruttate ad uso antropico, oppure per ricaricare gli acquiferi con lespansione in zone

esondabili. In Italia con la legge 183/89 sulla difesa del suolo, viene disposto un quadro

normativo di riferimento importante proprio ai fini di un uso razionale dellacqua. Da qui

3

4 Capitolo 1

lesigenza di rendere concreta la nozione di uso sostenibile delle risorse idriche ovvero la

necessit di trovare un giusto equilibrio tra le esigenze di sviluppo economico, legato allo

sfruttamento di tali risorse, e gli imperativi della loro protezione e conservazione, in

maniera che luso attuale non comprometta il loro impiego futuro.

Se da un lato lacqua una risorsa inestimabile per la societ, esistono situazioni,

quali le inondazioni e le frane causate dalle piene, che fanno dellacqua una vera e propria

minaccia. allora compito della societ provvedere ad una gestione ottimale dellacqua

tanto come risorsa, quanto come fonte di rischio.

Un buon connubio tra difesa e sfruttamento rappresentato dalla costruzione di

sbarramenti fluviali, la cui corretta pianificazione e gestione non pu che essere realizzata

nellambito di una pianificazione strategica dello sviluppo socio-economico di tutto il

territorio, volta a valutare il rapporto costi-benefici degli usi plurimi della risorsa acqua [2].

1.1.2 Le Opere di SbarramentoGli sbarramenti permanenti di un corso dacqua si distinguono in dighe e traverse.

Indipendentemente dallimportanza dellopera, la distinzione tra i due tipi essenzialmente

funzionale:

x Con il termine diga sintende uno sbarramento destinato alla creazione di un invaso artificiale a monte, che accumula temporaneamente una parte delle

acque defluenti nel fiume;

x La traversa uno sbarramento che regola principalmente il livello dacqua a monte, solitamente di volume modesto. Tale regolazione generalmente

necessaria per il funzionamento ottimale di unopera di presa, realizzata

direttamente nello sbarramento stesso.

Pertanto le opere di presa possono essere definite come sbarramenti finalizzati alla

formazione di uno o pi utilizzatori dellacqua[3].

Le legislazione italiana divide le dighe in funzione dellaltezza e della capacit

dinvaso, in particolare quelle con altezza superiore ai 15 metri e con volume dinvaso

superiore a 1 di metri cubi sono definite grandi dighe [4]. Attualmente sul suolo Italiano sono presenti 541 dighe, tra strutture: in esercizio, in costruzione e fuori servizio.

Capitolo 1 5

Figura 1.1 Esempio di diga e traversa.

Tutte le grandi dighe sono di competenza statale, lautorit preposta al loro

controllo la Direzione Generale per le Dighe le Infrastrutture Idriche ed Elettriche,

facente capo al Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti. Ai fini della tutela della

pubblica incolumit tale autorit provvede allapprovazione tecnica dei progetti delle

grandi dighe, tenendo conto anche degli aspetti ambientali e di sicurezza idraulica

derivante dalla gestione del sistema costituito dallinvaso, dal relativo sbarramento e da

tutte le opere complementari e accessorie. Inoltre hanno il compito di vigilare sulle

operazioni di controllo e gestione delle dighe, spettanti al concessionario, e la

predisposizione della normativa tecnica.

6 Capitolo 1

In Italia le dighe sono piuttosto diffuse nelle diverse regioni, concentrandosi nelle

zone alpine, sub-alpine ed appenniniche, ovvero dove le caratteristiche geo-morfologiche

del territorio sono favorevoli alla costruzione di opere di sbarramento. Nella figura

seguente sono mostrate tutte le dighe sul suolo Italiano e la loro disposizione, inoltre sono

riportati gli uffici periferici, di competenza territoriale[5].

Figura 1.2 Dighe di Competenza del R.I.D.

Delle 541 sopracitate dighe, presenti in Italia, la maggior parte sono in muratura,

circa 370, le restanti in terra, questultime sono localizzate maggiormente al sud.

I dati appena riportati sono forniti dai rapporti tecnici emanati dal Comitato

Nazionale Italiano per le Grandi Dighe (ItCOLD), associazione culturale e scientifica che

si propone di promuovere ed agevolare lo studio dei problemi connessi alle dighe presenti

sul territorio nazionale, alla loro realizzazione e al loro esercizio [6]. Tali rapporti risultano

molto utili per tutti coloro che si occupano di sbarramenti fluviali, quali gestori degli

impianti elettrici, autorit di controllo, ingegneri progettisti, etc.. Inoltre il comitato

ItCOLD partecipa a gruppi di lavoro internazionali organizzati dallInternational

Commission on Large Dams (ICOLD) [7].

Capitolo 1 7

1.1.3 Funzioni delle DigheIn passato le dighe venivano costruite soltanto per raccolta dacqua e lirrigazione,

successivamente, con lo sviluppo delle civilt, nata lesigenza di rendere i fiumi

navigabili e gestirne le piene; inoltre, con la richiesta di acqua potabile e di energia

elettrica, le dighe hanno assunto unimportanza sempre maggiore sia a livello sociale che

economico. La diga diventata uno strumento multifunzione, fondamentale per lo sviluppo

di un paese. Nel seguito vengono riportate le caratteristiche di alcune tra le funzioni pi

diffuse nel mondo.

1.1.3.1 IrrigazioneQuesta funzione stata la maggior fonte di sviluppo delle dighe in passato, basti pensare

che ad oggi i terreni irrigati coprono circa 277 milioni di ettari di terreno nel mondo, che

corrispondono al 18% delle terre arabili disponibili. Con laumento della popolazione

prevista per le prossime decadi, lirrigazione dovr senzaltro crescere, infatti, stato

stimato che l80% della produzione aggiuntiva di cibo, entro lanno 2025, dovr provenire

da terreni irrigati [8].

Figura 1.3 Diga Cantoniera, utilizzata a scopo irriguo.

8 Capitolo 1

1.1.3.2 Energia IdroelettricaLenergia generata negli impianti idroelettrici facenti uso delle dighe da sempre la forma

di energia rinnovabile pi utilizzata al mondo. Pi del 90% dellenergia rinnovabile del

pianeta proviene dalle dighe, inoltre nelle centrali idroelettriche vengono prodotti 2,3

trilioni di kW/h di elettricit ogni anno, corrispondenti al 24% dellenergia totale [8].

Ovviamente negli ultimi decenni il numero delle dighe costruite con lo scopo di

produrre energia cresciuto in maniera esponenziale, portando alla realizzazione di opere

incredibili anche per i nostri tempi, basti pensare alla diga di Itaip sul fiume Paran sul

confine tra Paraguay e Brasile. Questincredibile opera ha una struttura a gravit

alleggerita in calcestruzzo, lunga pi di 7 km ed ha unaltezza massima di 196 m, ha un

bacino di circa 29 000 000 000 m3 e produce circa 90 600 GW/h ogni anno. Opere di questo genere, ed anche pi modeste, hanno un notevole impatto socio-economico ed

ambientale [9].

1.1.3.3 Raccolta dellAcqua per Uso Domestico ed IndustrialeLa maggior parte dellacqua utilizzata per scopi civili ed industriali, per esigenze che

vanno dalluso potabile, a lutilizzo nel ciclo produttivo delle industrie di ogni genere. Data

limportanza economica e sociale dellacqua non possiamo affidarci soltanto al ciclo

idrogeologico, in quanto in primo luogo la domanda dacqua maggiore dellofferta

fornita dal solo ciclo naturale; in secondo luogo la distribuzione dacqua discontinua

nello spazio e nel tempo, alternando periodi di grandi precipitazioni a periodi di siccit ed

Figura 1.4 Diga Itap.

Capitolo 1 9

individuando zone pi piovose e zone pi aride, per tutti questi motivi nasce lesigenza di

aumentare la quantit dacqua disponibile, e conservarla per i periodi di siccit, tramite la

creazione di bacini artificiali [8].

Figura 1.5 Diga di Mhleberg, serve sia una centrale idroelettrica sia una centrale nucleare.

1.1.3.4 Navigazione nellEntroterraSpesso le condizioni naturali di un canale creano enormi problemi alla navigazione

nellentroterra, soprattutto per quanto riguarda il traffico di merci pesanti e di grandi

dimensioni. Per questo, nellottica di una progettazione integrata delle dighe, in alcuni casi

la zona di ubicazione della struttura stata scelta in maniera da poter creare un bacino

navigabile o aumentare il livello idrico del corso dacqua per renderlo navigabile. Inoltre

un corso dacqua sviluppato attraverso dighe e serbatoi per la navigazione pu anche

provvedere al controllo delle piene, alla riduzione dellerosione del bacino e alla

stabilizzazione dei livelli della falda freatica [8].

Figura 1.6 Diga e Chiusa di Maxwell a Pittsburgh, rendono il fiume Monongahela navigabile.

10 Capitolo 1

1.1.3.5 Controllo delle InondazioniLe dighe ed i serbatoi vengono utilizzati anche per la regolazione dei deflussi ed evitare

cos alluvioni, immagazzinando acqua nei periodi pi piovosi, per poi in parte

immagazzinarla per i periodi di siccit ed in parte rilasciarla dopo il passaggio dellonda di

piena. Il metodo di controllo dei deflussi pi efficace, si realizza tramite una gestione

integrata delle risorse idriche di regolazione del deposito e degli scarichi di ognuna delle

principali dighe situate nel bacino idrografico. Ogni diga gestita da uno specifico piano,

attraverso il governo di bacino, che comporta labbassamento del livello idrico prima della

stagione delle piogge, cos da creare pi spazio utile, eliminando cos il pericolo di piene. Il

numero di dighe ed i loro piani di gestione delle piene vengono stabiliti dalla

pianificazione globale per lo sviluppo economico dei singoli territori [8].

Figura 1.7 Diga di Pedra 'e Othoni a Nuoro, concepita inparticolare per la laminazione del fiume Cedrino.

Capitolo 1 11

1.2 Ricognizione delle Dighe in Italia

1.2.1 Classificazione delle Dighe Secondo il D.M. 24 Marzo 1982 n.44.La normativa in materia di dighe attualmente in vigore in Italia il D.M. 24 Marzo 1982

n.44: Norme Tecniche per la Progettazione e la Costruzione delle Dighe di

Sbarramento, nella quale troviamo la classificazione delle dighe riportata nelle pagine

seguenti, con le relative spiegazioni ed esempi.

1.2.1.1 Dighe a GravitLe dighe a gravit di ogni tipo sfruttano il peso proprio per opporsi alla spinta idrostatica

esercitata dallacqua invasata nel lago artificiale. Leffetto del peso proprio quello di

deviare la risultante delle forze agenti, verso il basso, in maniera tale che la verifica allo

slittamento sia soddisfatta. Landamento planimetrico generalmente rettilineo o

comunque caratterizzato da raggi di curvatura molto ampi e con concavit verso valle. La

sezione delle dighe a gravit si presenta come un triangolo in cima al quale collocato il

coronamento, entrambi i paramenti sono inclinati, ma mentre quello di mote pressoch

verticale, quello di valle ha pendenze elevate[10].

1) 2)Figura 1.8 Esempi di Dighe: 1) Diga di Alpe-Gera, con struttura a gravit massiccia, in provincia diSondrio; 2) Diga di Ancipa, con struttura a gravit alleggerita, in provincia di Enna,

Le dighe a gravit vengono suddivise in [11]:

x ordinarie (a gravit massicce);x a speroni o a vani interni (a gravit alleggerite).

12 Capitolo 1

Le dighe a gravit massicce, costruite

solitamente in muratura o in calcestruzzo non

armato, sono costituite da elementi detti conci.

Questi imponenti elementi sono separati

tra loro da giunzioni permanenti secondo piani

verticali [10].

Nel caso delle dighe alleggerite i conci

sono sagomati in maniera tale da ricavare

allinterno della struttura dei vani. Spesso i conci

diventano dei veri e propri contrafforti con

espansione a monte e/o a valle. Questa tipologia

di dighe rappresenta unevoluzione di quelle

massicce, vi infatti uno sfruttamento maggiore

dei materiali ed un ottimizzazione degli spazi. Il

profilo teorico di ogni sperone deve rendere

stabile la struttura al ribaltamento e allo

slittamento, contemporaneamente deve

ovviamente soddisfare le verifiche tenso-

deformative. importante notare come il minor

peso proprio della struttura sia compensato dalla

diminuzione delle sottospinte, che in molti casi

diventano trascurabili, dovuta alla notevole

riduzione di spessore della sezione nel passaggio

da una diga massiccia ad una alleggerita. Inoltre

la diminuzione di peso viene in parte compensata da un aumento della pendenza del

paramento di monte, portando ad un aumento della componente verticale della spinta

idrostatica, e contemporaneamente una riduzione di quella orizzontale, che contribuisce

allequilibrio traslazionale. Infine le dighe alleggerite possono essere a speroni o a vani

interni, nelle prime i conci sono sagomati in modo da formare dei contrafforti con il

paramento di monte. Nelle seconde i conci sono alleggeriti da cavit che formano dei vuoti

interni [10].

Figura 1.9 Schema di Diga a Gravit Massiccia.

Figura 1.10 Schema di Diga a Gravit Alleggerita.

Capitolo 1 13

1.2.1.2 Dighe a VoltaNelle strutture con funzionamento a volta, pur non mancando la trasmissione della spinta

idrica lungo le sezioni verticali (funzionamento a mensola), prevale la trasmissione degli

sforzi lungo le sezioni orizzontali, o inclinate, fino alle imposte, in questultima

trasmissione la struttura viene impegnata con le sollecitazioni e deformazioni tipiche

dellarco. Dighe di questo genere hanno un andamento planimetrico arcuato, inoltre ancor

pi delle dighe di altro genere, la possibilit di realizzarle legata non solo alla morfologia

del territorio, in particolare sar necessario trovare una zona caratterizzata da una gola

stretta ma con una capacit dinvaso a monte molto grande, ma anche alle caratteristiche

geologiche della roccia dimposta. Gli sforzi trasferiti dalla struttura alla roccia su cui

verranno fondate le imposte saranno notevoli, quindi dovr avere resistenza elevata, oltre a

non presentare fessurazioni diffuse o problemi macroscopici nella propria struttura [10].

Le dighe a volta vengono suddivise in [11]:

x dighe ad arco;x dighe ad arco-gravit;x dighe a cupola (o a doppia curvatura).

1) 2)

3)

Figura 1.11 Esempi di Dighe: 1) Diga del Vajont, con struttura ad arco, in Provincia di Pordenone; 2) Diga di Place Moulin, con struttura ad arco-gravit, ad Aosta; 3) Diga di Neves, con struttura a cupola, in provincia di Bolzano.

14 Capitolo 1

Nelle dighe ad arco semplice leffetto arco nettamente

prevalente su quello a mensola, precedentemente descritto, per

cui il peso proprio della struttura ha scarsa importanza sul

regime statico e le dimensioni possono essere commisurate alla

funzione di trasmissione in orizzontale della pressione

dellacqua. La struttura potr quindi essere assimilata ad un

insieme darchi orizzontali fra loro connessi, una situazione del

genere accettabile solo nel caso in cui le sezioni verticali

radiali della struttura risultino molto snelle, il che pu

verificarsi solo in opere nelle quali le corde orizzontali della

sezione di sbarramento risultano piccole rispetto allaltezza

totale, cio in opere che chiudono gole molto strette per cui

sono consentite curvature molto accentuate dalle sezioni

orizzontali [10].

Nelle dighe ad arco-gravit non vi una netta

prevalenza delleffetto arco su quello di mensola, a condizione

che gli spessori si mantengano piccoli rispetto allaltezza, alle

corde, ai raggi di curvatura, il regime statico della struttura

assimilabile a quello di lastra curva. Nella maggior parte dei

casi opere di questo genere hanno raggi di curvatura delle

sezioni orizzontali varianti verticalmente, curvatura delle

sezioni verticali non nulla e spessori varianti verticalmente e

talora anche orizzontalmente. Si ammette in generale la

deformabilit elastica della roccia di fondazione e lincastro

della struttura lungo il contorno il quale ha forma assai diversa

da caso a caso [10].

Nelle dighe a cupola, o a doppia curvatura, presentano in buona parte le stesse

caratteristiche delle strutture ad arco semplice, se non fosse che sono dotate di curvatura

sia nelle sezioni orizzontali che nelle sezioni verticali, riducendo notevolmente gli sforzi di

taglio e i momenti flettenti sul corpo della diga. In tal modo la struttura sar soggetta quasi

Figura 1.12 Schema di Diga ad Arco Semplice.

Figura 1.13 Schema di Diga ad Arco-Gravit.

Capitolo 1 15

esclusivamente a sforzi di compressione, tendendo quindi ad un

comportamento a membrana sottile, con la possibilit di ridurre

ulteriormente gli spessori e quindi contenere i costi. Gli

accorgimenti precedentemente descritti per le strutture ad arco

semplice valgono anche per questo tipo di dighe [11].

Lutilizzo delle dighe ad arco si notevolmente diffuso

nel corso degli ultimi anni, in Italia maggiormente nella

seconda met del XX secolo, grazie allo sviluppo dei metodi di

calcolo e allesperienza accumulata in passato. Rispetto alle pi

diffuse dighe a gravit le dighe ad arco richiedono una mole di

calcoli maggiore, per questo in passato a supporto della teoria e

dei modelli analitici, per la progettazione di queste struttura

venivano costruiti modelli fisici in scala molto accurati.

Altro aspetto particolare di questa tipologia di diga sono i giunti, che non saranno

soltanto su piani verticali, ma saranno su piani orizzontali, inoltre vengono utilizzati giunti

temporanei durante la messa in opera, in maniera tale da consentire le dilatazioni termiche.

Una volta terminate le fasi di costruzione i giunti temporanei vengono chiusi ripristinando

la continuit della struttura [12].

1.2.1.3 Dighe a Volte o Solette, Sostenute da ContraffortiLe dighe con struttura a volte o solette sostenute da contrafforti funzionano in modo simile

alle dighe a gravit alleggerite, sono infatti caratterizzate dalla presenza di contrafforti,

posti ad un certo interasse, i quali hanno il compito di trasmettere le sollecitazioni,

derivanti dalla spinta dellacqua, al terreno. I contrafforti sono collegati tra loro da solette o

da volte, le quali hanno solo il compito di trasmettere gli sforzi, il paramento di monte

inoltre ha una pendenza tale da far si che la componente verticale della spinta idrostatica

contribuisca alla resistenza allo scorrimento [10].

Figura 1.14 Schema di Diga a Cupola.

16 Capitolo 1

Figura 1.15 Diga di Molato, con struttura a volte e contrafforti, in provincia di Piacenza.

1.2.1.4 Dighe in Materiali ScioltiLe dighe in materiali sciolti sono costituite da un corpo di terra o di pietrame,

fondamentalmente permeabile, e di una zona interna in terra praticamente impermeabile,

chiamata nucleo, ovvero di un dispositivo di tenuta, sul paramento di monte o interno di

materiali artificiali diversi, cio manto o diaframma. Rispetto ad unequivalente struttura

muraria, questa tipologia di diga induce sulle fondazioni sollecitazioni minori, a ragione

dellampiezza trasversale conseguente a necessit proprie di stabilit. Il loro

comportamento meccanico tipicamente plastico-viscoso, esse pertanto sono in grado di

eseguire senza rottura deformazioni notevoli della fondazione. Sono quindi compatibili con

formazioni dappoggio lapidee anche ampiamente alterate, diffusamente fessurate e

disomogenee, nonch con formazioni sciolte, escluse ovviamente quelle tipicamente

argillose [10]. Le dighe di materiali sciolti non sono differenziabili in sottospecie sulla base

della forma o per il loro funzionamento statico; lo sono invece sulla base dei materiali di

cui sono costituite, proprio cos vengono classificate dalla norma [11]:

x in terra omogenea; x in terra e/o pietrame con nucleo di tenuta in terra; x in terra e/o pietrame con manto di tenuta a monte o con nucleo di tenuta in materiali

artificiali.

Capitolo 1 17

1) 2)

3)

Figura 1.16 Esempi di Dighe: 1) Diga di Olivo, con struttura in terra omogenea, in provincia di Enna; 2) Diga di Occhito, con struttura in terra con nucleo di tenuta, in provincia di Foggia; 3) Diga di

Redisole, con struttura in terra e manto di tenuta, in povincia di Cosenza.

Le dighe in terra omogenea sono

costituite totalmente da terra caratterizzata da

permeabilit uniforme e tale da garantire da sola

la tenuta. Normalmente simpiega tale tipologia

per altezze del rilevato non superiori ai 30m[13].

Le dighe in terra e/o pietrame con

nucleo di tenuta in terra, sono costituite da

materiali naturali di varia tipologia, organizzati

e disposti in zone ben precise della sezione in

funzione delle caratteristiche di permeabilit,

disponendo le zone permeabili all'esterno e quelle impermeabili all'interno per la tenuta

[13].

Figura 1.17 Schema di Diga in Terra Omogenea.

Figura 1.18 Schema di Diga in Terra con Nucleo di Tenuta in Terra.

18 Capitolo 1

Le dighe in terra e/o pietrame con manto

di tenuta a monte o con nucleo di tenuta in

materiali artificiali sono costituite da materiali

naturali di vario tipo e granulometria, dove la

tenuta viene garantita mediante un manto di

rivestimento, in materiale artificiale, posto sul paramento di monte, oppure tramite un

nucleo interno sempre di materiale artificiale [13].

Qualsiasi sia il materiale costituente la diga in terra, la forma della sezione

trasversale si presenta prossimamente trapezia, con inclinazioni dei due paramenti

esattamente o approssimativamente uguali. Lasse planimetrico rettilineo, salvo casi in

cui la curvatura opportuna per particolari condizioni geologiche o morfologiche della

stretta. La caratteristica meccanica dei materiali sciolti che interessa la stabilit dei rilevati

la resistenza al taglio, riassunta dai due parametri: angolo di attrito limite e coesione

limite. La caratteristica idraulica dei materiali stessi che interessa nelle dighe la

permeabilit. La stabilit dei rilevati in materiali sciolti, siano essi in terra o pietrame, si

riassume nella loro resistenza ai movimenti dinsieme cio al franamento, ma essa dipende

anche dalla conservazione dellintegrit dei nuclei o manti o diaframmi, giacch

fessurazioni di questi e conseguenti filtrazioni possono condurre al sifonamento e quindi

alla distruzione dellopera [10].

In fine doveroso osservare che queste non sono strutture tracimabili, in quanto

sono facilmente erodibili, quindi la tracimazione, anche se straordinaria, potrebbe

comportare pericoli di stabilit, a causa delle questioni appena trattate [13].

1.2.1.5 Sbarramenti di Vario TipoRappresentano tutte le strutture di sbarramento diverse da quelle definite precedentemente,

sia per caratteristiche costruttive che per funzionalit e impiego, ma possedenti comunque

certe particolarit in comune, esse sono [11]:

x dighe di tipo misto;x dighe in subalveo;x sbarramenti per la laminazione delle piene.

Figura 1.19 Schema di Diga in Terra con Manto di Tenuta in Materiale Artificiale.

Capitolo 1 19

1) 2)Figura 1.20 Esempi di Dighe: 1) Diga di Almendra, in Spagna, struttura varia; 2) Sbarramento per la laminazione delle piene.

Le dighe di tipo misto possono essere formate da materiali diversi o da tipologie

strutturali differenti, ad esempio possono essere a gravit ma in parte in calcestruzzo ed in

parte in parte in muratura di pietrame. Oppure ad esempio strutture totalmente in

calcestruzzo ma con tratti a gravit massicce, tratti a gravit alleggerite e tratti ad arco. La

tecnica costruttiva talmente evoluta che a seconda delle esigenze possibile adattare pi

tipologie strutturali per ottenere il risultato pi conveniente [10].

Le dighe in subalveo sono costituite da uno sbarramento affondato nel subalveo

fino a raggiungere ed intercettare la falda sotterranea di una valle, in modo da farla

emergere e accumularne la risorsa all'interno dell'invaso che si crea a monte.

Gli sbarramenti per la laminazione delle piene sono caratterizzati da una luce a

battente per i normali deflussi che pu essere completamente impegnata durante gli eventi

di piena in modo da far defluire dalla luce, soltanto le portate per cui stata progettata

l'opera di regimazione e invasare temporaneamente a monte dello sbarramento il surplus di

piena che rappresenta il volume idrico di laminazione, o colmo dell'onda di piena [14].

1.2.1.6 Traverse FluvialiRappresentano opere di sbarramento di un corso d'acqua di modesta entit, in particolare

per quanto riguarda l'altezza, che risulta mediamente inferiore ai 10m e che determinano

un innalzamento idrico a monte, contenuto all'interno dell'alveo [14]. Vengono realizzate

per creare piccoli accumuli idrici al fine di rendere possibile la derivazione di portate o

20 Capitolo 1

permettere attingimenti grazie al locale incremento del livello idrico. In relazione all'entit

dell'opera e alla funzione che le traverse devono svolgere possono essere suddivise in [11]:

x fisse;x mobili;x briglie.

Le traverse fisse sono costituite prevalentemente da strutture murarie massicce, ma

anche mediante scogliere, al principale scopo di rialzare il livello idrico di monte per

molteplici obiettivi: derivazioni, attingimenti, fruizione della risorsa idrica [14].

Figura 1.21 Esempi di traverse fluviali.

Le traverse mobili sono costituite da opere murarie trasversali, anche di notevoli

entit, al solito scopo delle precedenti, ma dotate di organi di regolazione. Tali apparati

possono essere costituiti da semplici paratoie di tenuta a sollevamento manuale fino alle

enormi paratoie meccaniche che consentono le regolazioni a scopi idroelettrici o di

regimazione delle portate di piena di un corso d'acqua [14].

Le briglie sono costituite anch'esse da opere murarie trasversali ma con lo scopo

della stabilizzazione dell'alveo, dette infatti briglie di consolidamento. Sono opere

trasversali al torrente, sporgenti dall'alveo nel quale sono fondate, costruite per fissare con

il coronamento sommitale la quota dell'alveo e determinare, a seguito dell'interrimento

conseguente all'accumulo del materiale a monte di essa, la modifica della pendenza

originaria del corso d'acqua. La funzione primaria della briglia risulta quella di contrastare

l'erosione del letto del torrente e quindi del trasporto solido a seguito della riduzione della

pendenza; contribuisce inoltre alla stabilizzazione delle sponde a seguito del riempimento

che si origina a monte [14].

Capitolo 1 21

1.2.2 Definizioni Secondo D.M. 24 Marzo 1982Il D.M. 24 Marzo 1982 fornisce le definizioni dei parametri fondamentali di una diga, con

il quale possibile classificarle. Di seguito vengono riportati brevemente con le relative

spiegazioni [11]:

x Altezza della diga: dislivello tra la quota del piano di coronamento e quella del punto pi basso della superficie di fondazione.

x Altezza di massima ritenuta: dislivello tra la quota di massimo invaso e quella del punto pi depresso dellalveo naturale in corrispondenza del

paramento di monte.

x Fetch: massima lunghezza dello specchio liquido del serbatoio alla quota del massimo invaso.

x Franco: dislivello tra la quota del piano di coronamento e quella di massimo invaso.

x Franco netto: dislivello tra la quota del piano di coronamento e quella di massimo invaso, aggiunta a questa la semi ampiezza della massima onda

prevedibile nel serbatoio.

x Impianto di ritenuta: insieme dello sbarramento, delle opere complementari e accessorie, dei pendii costituenti le sponde e dellacqua invasata.

x Opere complementari e accessorie: opere direttamente connesse alla sicurezza e alla funzionalit degli impianti di ritenuta, compresi gli

interventi di sistemazione, impermeabilizzazione e consolidamento delle

sponde del serbatoio, la casa di guardia, la viabilit di servizio, le opere di

adduzione e di derivazione del serbatoio.

x Opere o organi di scarico o scarichi: opere civili e impiantistiche necessarie per lo scarico, libero o volontario, dellacqua invasata.

x Quota di massimo invaso: quota massima a cui pu giungere il livello dellacqua dellinvaso, ove si verifichi il pi gravoso evento di piena

previsto.

x Quota massima di regolazione: quota del livello dacqua al quale ha inizio lo sfioro degli appositi dispositivi.

x Sponde del serbatoio: complesso di pendii naturali o artificiali costituenti il serbatoio e i pendii a quota superiore a quella di massimo invaso.

22 Capitolo 1

x Volume dinvaso: volume del serbatoio compreso tra la quota massima di regolazione e la quota del punto pi depresso del paramento di monte.

x Volume di laminazione: volume compreso tra la quota di massimo invaso e la quota massima di regolazione.

x Volume morto: volume del serbatoio compreso tra la quota del punto pi depresso del paramento di monte e la pi bassa tra: la quota dellimbocco

dellopera di ripresa o dello scarico di fondo.

x Volume totale dinvaso: capacit del serbatoio compresa tra la quota di massimo invaso e la quota minima di fondazione.

x Volume utile di regolazione: volume compreso fra la quota massima di regolazione e la quota minima del livello dellacqua alla quale pu essere

derivata lacqua invasata.

Capitolo 1 23

Figura 1.22 Esempi di parti costituenti una Diga.

Figura 1.23 Definizioni delle Caratteristiche di una Diga.

24 Capitolo 1

1.2.3 Ricognizione delle Dighe Italiane

1.2.3.1 FunzioniCome accennato nei capitoli precedenti, in Italia sono presenti 540 dighe, svariatamente

diffuse e con funzione principalmente di tipo idroelettrico, secondariamente destinate ad

uso irriguo e per il supporto di acquedotti ed in minima parte per il controllo dei deflussi

[5].

Le motivazioni per il quale la maggior parte delle dighe Italiane sono destinate a

scopo Idroelettrico ed Irriguo, risiedono nelle caratteristiche geomorfologiche del paese.

Per quanto riguarda lenergia, in Italia, viene acquisita principalmente in tre modi:

x Energia prodotta da fonti non rinnovabili, quali principalmente combustibili fossili;

x Energia prodotta da fonti rinnovabili, principalmente idroelettrico;x Energia comprata allestero.

Tabella 1.1 Funzioni delle Dighe Italiane.Grafico 1.1 Funzioni delle Dighe Italiane.

Capitolo 1 25

Dal grafico precedente possibile osservare come la produzione di energia

idroelettrica sia da sempre una quota importante e costante della totalit dellenergia

acquisita dallItalia; questo perch la conformazione del nostro paese tale da essere

particolarmente predisposto alla costruzione dimpianti idroelettrici. Infatti grazie alle Alpi

e alla catena Appenninica, le zone montuose sono diffuse in tutta la penisola, essendo

inoltre queste zone percorse da numerosi corsi fluviali, creano le condizioni ottimali per la

costruzione dimpianti idroelettrici. Dal grafico successivo notiamo come tra le energie

rinnovabili sia la fonte di produzione pi diffusa in Italia [15] [16].

Grafico 1.2 Riepilogo Storico della Produzione di Energia in Italia.

Grafico 1.3 Produzione di Energia Tramite Fonti Rinnovabili.

26 Capitolo 1

La seconda funzione pi diffusa quella legata allagricoltura, basti pensare che la

superficie agricola italiana pari a 17,8 milioni di ettari, di cui il 45,7% si concentrano nel

mezzogiorno [17]. Si rende dunque necessario fornire una riserva dacqua costante nel

tempo e diffusa in tutto il territorio. Diventano quindi indispensabili le opere di

sbarramento atte alla formazione di bacini artificiali a scopo irriguo.

1.2.3.2 Uffici Tecnici TerritorialiCome precedentemente accennato, la competenza in materia di dighe, ovvero

lapprovazione tecnica dei progetti, vigilanza e controllo sulla costruzione e sullesercizio,

divisa in:

x &RPSHWHQ]D6WDWDOHVH+PR9 m3;x Competenza Regionale: se H

Capitolo 1 27

x Cagliari: competente sui bacini con foce al litorale della Sardegna;x Catanzaro: competente sui bacini con foce al litorale calabrese dal Sinni,

escluso, al Lao, incluso;

x Firenze: competente sui bacini idrografici su una fascia di territorio dell'Italia centrale dal litorale tirrenico, bacini idrografici del Magra incluso,

Fiora escluso, a quello adriatico, bacini con foce a sud del Po fino al Conca

incluso;

x Milano: competente sul bacino del Po da valle della confluenza col Ticino alla foce;

x Napoli: competente sui bacini con foce al litorale tirrenico dal Tevere,escluso, al Lao, escluso, bacini con foce al litorale adriatico a sud del

Pescara, escluso, e bacini con foce al litorale jonico a nord del Sinni,

incluso;

x Palermo: competente sui bacini con foce al litorale della Sicilia;x Perugia: competente sui bacini con foce al litorale tirrenico dal Fiora,

incluso, al Tevere, incluso, e bacini con foce al litorale adriatico dal Conca,

escluso, al Pescara, incluso;

x Torino: competente sui bacini con foce al litorale ligure dal confine italo-francese al Magra, escluso, e bacino del Po fino alla confluenza del Ticino,

incluso;

x Venezia: competente sui bacini con foce al litorale adriatico a nord del Po.Approssimativamente si spartiscono le dighe in modo piuttosto omogeneo. Nel

seguente grafico viene mostrato come sono suddivise le dighe per uffici tecnici territoriali

[5].

Gli uffici tecnici territoriali svolgono funzioni di controllo e vigilanza sulla

sicurezza delle dighe, a nome della Direzione Generale per le Dighe e le Infrastrutture

Idriche ed Elettriche, svolgono, sulle dighe di competenza, periodici sopraluoghi ed

espletano attivit di raccolta di dati e dinformazioni, relative alle misure di controllo

condotte sugli impianti. Gli uffici forniscono anche supporto tecnico in occasione di

scenari di emergenza che coinvolgano la sicurezza delle dighe, nonch consulenze ad altri

Enti Pubblici in merito al controllo di dighe di altezza o volume dinvaso inferiori ai

suddetti limiti [5].

28 Capitolo 1

1.2.3.3 TipologiaNei paragrafi precedenti sono state brevemente illustrate le pi diffuse tipologie di dighe,

in Italia troviamo una forte concentrazione di dighe a gravit massicce e, specialmente al

sud, un elevato numero di dighe in terra. Nel grafico successivo viene illustrato il numero

di dighe relativo a ciascuna tipologia [5].

Grafico 1.6 Classificazione delle Dighe per Tipologia.

Grafico 1.5 Suddivisione delle Dighe per Uffici Tecnici Territoriali.

Capitolo 1 29

1.2.3.4 Anno di Inizio LavoriAltra classificazione interessante, in prospettiva dello studio evolutivo della normativa,

quella rispetto allanno di costruzione. Sar utile per capire sia la normativa di riferimento

con la quale una certa diga stata progettata, sia quali accorgimenti tecnici sono stati

adottati, in causa dellesperienze maturate fino allanno di costruzione [5].

Gli intervalli di tempo per la classificazione sono stati scelti seguendo le date di

emanazione delle pi importanti normative in materia di dighe, le quali verranno analizzate

dettagliatamente nel capitolo secondo.

Grafico 1.7 Classificazione delle Dighe in Funzione dell'anno di Inizio dei Lavori diCostruzione.

Grafico 1.8 Andamento della Costruzione di Dighe nel Tempo.

30 Capitolo 1

1.3 Le Dighe a Gravit

1.3.1 IntroduzioneIn precedenza abbiamo gi accennato alle dighe a gravit, elencando e chiarendo la

classificazione effettuata dallattuale normativa, ed introducendo qualche nozione riguardo

al funzionamento; adesso verranno analizzate nel dettaglio le caratteristiche tecniche

dimpianto, i materiali utilizzati, levoluzione delle tecniche costruttive, i dettagli pi

importanti e le opere accessorie e complementari necessarie a rendere operative limpianto.

Una diga muraria classificabile come a gravit se ha le seguenti caratteristiche:

planimetricamente rettilinea, o ha curvatura delle sezioni orizzontali assai limitata;

costituita di elementi verticali, che da ora chiameremo conci, staticamente indipendenti, di

modesta lunghezza in direzione dellasse; ed infine il suo funzionamento legato solo al

peso proprio. Come precedentemente descritto reagiscono alla spinta dellacqua grazie ad

un elevato peso, che devia quindi la risultante delle azioni, soddisfacendo lequilibrio allo

scorrimento.

Si dividono inoltre in:

x dighe a gravit massicce;x dighe a gravit alleggerite.

In questultime vengono ricavati dei vani nel corpo diga, tali da poter alloggiare ad

esempio limpianto di produzione di energia idroelettrica, oppure sono formate da veri e

propri speroni posti ad un certo interasse e collegati da tratti di struttura molto pi snella

rispetto a dighe massicce paragonabili. Questultime rappresentano unevoluzione delle

dighe a gravit e compensano la riduzione di peso con una minor intensit della

sottospinta, in quanto la sezione degli speroni limitata dunque lacqua non ristagna al

disotto di essi, e grazie ad una maggior inclinazione del paramento di monte, tale da

aumentare laliquota di spinta idrica verticale, che contribuisce allequilibrio globale.

Strutture di tal genere sono, fra quelle di muratura, le prime impiegate per la

formazione dinvasi idrici. Molti muri di sostegno dellacqua, come in passato erano

chiamate le dighe, sono stati costruiti in Spagna tra il XVI e il XVIII secolo per la

formazione di laghi artificiali. Di quelli costruiti anteriormente al 1900, di altezza superiore

a 10 metri, sono tuttora in esercizio una ventina; fra essi, solo tre, di cui costruiti nel 1850 e

laltro successivamente, hanno la sezione quasi trapezoidale caratteristica del periodo in

Capitolo 1 31

cui vengono utilizzate le prime nozioni della statica delle strutture. Tutte le altre dighe

sono costituite da un muro con sezione verticale poco diversa dalla rettangolare, talora a

gradoni, con proporzioni fra altezza e spessori assai diverse da caso a caso. In alcune di

esse il muro contrastato a valle da un rilevato di terra, in una da un rilevato di pietrame,

in molte da una serie di speroni murari. Planimetricamente sono talora rettilinee, talora

poligonali, le maggiori hanno quasi tutte forma pi o meno arcuata.

Altrettanto interessanti sono le dighe del Messico, costruite anteriormente al 1900,

una trentina con altezze oltre 50 metri sono costituite generalmente in muri sottili a sezione

rettangolare o trapezia o a riseghe, con paramento di monte verticale, sussidiati da ampi

contrafforti a valle.

Limmaturit delle concezioni statiche, e ancor pi dei problemi relativi alle

fondazioni, si prolunga fino a tutta la prima met del XIX secolo, lo indicano ad esempio la

diga di Puentes in Spagna, costruita nel 1785 e la diga di Gros Bois in Francia, costruita

del 1830. Le loro sezioni non rilevano traccia di criteri direttivi e la prima, fondata per una

breve lunghezza su terreno sciolto, con lausilio di pali in legno, crolla per sifonamento di

questo tratto quando dietro di essa raggiunto il massimo livello dinvaso. La seconda,

fondata su argilla, subisce nelle fasi dinvaso regolari movimenti dinflessione

longitudinali, di spostamenti e di rotazioni trasversali, che inducono nel 1842 a rinforzarla

con nuovi contrafforti sul paramento di valle e pi tardi, nel 1896, a limitare il carico,

rigurgitandola da valle, con un invaso creato da una diga in terra [10].

Figura 1.24 Diga di Puentes.

32 Capitolo 1

a)Diga Almansa, costruita sul corso dacqua Belen Grande. Lopera precedente al 1586, ha andamento planimetrico a spezzata superiormente e curvo inferiormente, le due parti sono state probabilmente costruite in tempi diversi. Ha unaltezza massima del coronamento pari a circa 25 m.. Il materiale utilizzato la muratura di pietrame con pietra da taglio ai paramenti, salvo i superiori 6m. del paramento di valle. Il valore massimo delle sollecitazioni raggiunge 14 kg/cm2. b)Diga Elche, sul corso dacqua Vinalop, risalente al 1632 e modificata nel 1842, ha andamento curvo, con raggio di 62,60 m. e altezza di 23,20 m. costituita in muratura di pietrame con paramenti di pietra da taglio. c)Diga di Alicante, sul Monegre, costruita nel 1580 e modificata nel 1943. Ha andamento planimetrico curvo, con raggio di 107,13m. ed altezza di 46m., la diga fondata su calcari duri e compatti. Il materiale muratura di pietrame con pietra dataglio ai paramenti, le sollecitazioni massime sono dellordine di 11 kg/cm2. d)Diga di Valdeinfierno, sul corso dacqua Luchensa, costruita nel 1806 ha andamento poligonale prossimo al circolare, con altezza massima di 48m..

Figura 1.25 Dighe Spagnole Precedential 1900.

Capitolo 1 33

I casi trattati in questo paragrafo riguardano gli antenati delle dighe in muratura

cos come le concepiamo noi oggi, ma possono essere utili per capire a fondo levoluzione

tecnica e delle metodologie di calcolo. Questultima verr trattata nel capitolo secondo.

Figura 1.26 Diga di Gros-Bois.

34 Capitolo 1

1.3.2 Funzionamento dellImpianto Idroelettrico

1.3.2.1 IntroduzioneNei paragrafi precedenti stato messo in luce come la funzione pi diffusa in Italia per le

dighe a scopo idroelettrico, in particolare nel grafico seguente possibile osservare come

si specializzano le dighe a gravit.

Dal grafico precedente possibile osservare come la funzione maggiormente svolta

anche dalle dighe a gravit quella a scopo idroelettrico, che verr analizzata nel dettaglio

nel presente paragrafo [6].

1.3.2.2 Idroelettrico in ItaliaIn Italia la produzione di energia idroelettrica corrisponde a circa il 74% della produzione

complessiva lorda di fonti rinnovabili, lindagine ha considerato levoluzione della

capacit installata secondo la classe di potenza, da cui risultato che gli impianti di

maggiore dimensione, quelli con potenza superiore a 10 MW, costituiscono la pi alta

quota percentuale della potenza idroelettrica totale. Inoltre, anche lanalisi della potenza

installata, secondo tipologia dimpianto (bacino, serbatoio, acqua fluente), ha mostrato,

negli ultimi anni, variazioni non significative. Per il grande idroelettrico, principalmente

per impianti con grandi invasi e dighe, poco ipotizzabile uno sviluppo futuro

Grafico 1.9 Funzioni delle Dighe a Gravit.

Capitolo 1 35

significativo. Considerando let media delle dighe italiane, superiore ai 60 anni, per molte

delle quali il periodo di vita residuo stimabile in alcune decine di anni, ragionevole

attendersi una sensibile riduzione della producibilit da fonte idroelettrica. Il quadro

generale pi articolato per gli impianti mini-idroelettrici, dove i minori problemi di

sicurezza e il vantaggio di una tipologia distribuita di generazione, rende opere e

macchinari pi facilmente inseribili sul territorio [18].

1.3.2.3 Tipologie e FunzionamentoPer energia idroelettrica sintende lenergia potenziale e cinetica posseduta dallacqua, che

possibile convertire in energia elettrica tramite apposite turbine e alternatori.

Questo tipo di energia stata la prima fonte rinnovabile ad essere utilizzata su

larga scala, ed attualmente il suo contributo alla produzione mondiale di energia elettrica

di circa il 20% [18]. La disponibilit di energia idraulica conseguenza dinterventi

delluomo volti a modificare il naturale corso di un fiume attraverso la costruzione di una

condotta forzata che dvi lacqua del fiume in una centrale idroelettrica allinterno della

quale avviene la trasformazione di cui sopra. La prima trasformazione avviene nelle

turbine idrauliche dette HPRT (Hydraulic Power Recovery Turbine) che sono messe in

rotazione dalla massa stessa di acqua che transita al loro interno. Sfruttando lenergia

Figura 1.27 Funzionamento di Impianto Idroelettrico.

36 Capitolo 1

potenziale posseduta dalla massa dacqua tra un dislivello, detto salto, si ottiene energia

meccanica allasse che, se non utilizzata per compiere direttamente lavoro, si pensi ai

mulini ad acqua, viene trasformata a sua volta in energia elettrica collegando lasse della

turbina, tramite opportuni riduttori, ad un alternatore. Non realizzando alcun processo di

combustione, gli impianti idroelettrici contribuiscono alla riduzione delle emissioni di gas

ad effetto serra associate alla produzione di energia elettrica. In questo modo si ha una

riduzione di 670 g di CO2 per ogni kWh di elettricit prodotto, nonch di 668 g/kWh di

diossido di azoto e 282 mg/kWh di particolato [19].

Gli impianti idroelettrici si dividono principalmente in impianti a bacino, o a

serbatoio, e ad acqua fluente; in entrambi i tipi di impianto le turbine sfruttano un salto

geodetico, da cui dipender lenergia producibile, che realizzato in modo diverso: in

quello a serbatoio, le acque di un dato bacino idrografico sono raccolte mediante uno

sbarramento solitamente artificiale, diga; nellimpianto ad acqua fluente, il dislivello

ottenuto mediante lo sbarramento di un corso dacqua, traversa.

Gli impianti a bacino, sono muniti di un serbatoio che consente di regolare in

maggiore o minore misura la produzione della centrale in relazione alle esigenze del carico

e sono caratterizzati da salti molto elevati, i maggiori sono in Canada e toccano i 2000

metri. Secondo la capacit relativa del serbatoio, ovvero il grado di regolazione, si possono

distinguere impianti a regolazione parziale, a regolazione totale, impianti di integrazione o

di punta.

Gli impianti a regolazione parziale sono impianti provvisti di modesti bacini che

consentono di regolare la produzione in relazione alle variazioni di carico giornaliere e

settimanali. Ad essi si affida un servizio prevalentemente di base nei periodi di morbida e

Figura 1.28 Schematizzazione d'Impianti a Bacino e ad Acqua Fluente.

Capitolo 1 37

un servizio di punta giornaliera nei periodi di magra: lutilizzazione della potenza

efficiente dellordine di 20003000 ore annue.

Gli impianti a regolazione totale sono dotati di serbatoio di notevole capacit, che

permette una completa regolazione dei deflussi annuali in modo tale da adattare il

diagramma della disponibilit a quello del consumo. Tale risultato non si ottiene di solito

da un unico impianto ma da un insieme dimpianti, che utilizzano razionalmente una o pi

vallate. Ad essi si affida prevalentemente un servizio di punta, salvo nei periodi di forte

richiesta nei quali il carico erogato pu avere piccole variazioni nelle 24 ore; la potenza

efficiente ha unutilizzazione dellordine di 15002000 ore annue.

Gli impianti dintegrazione o di punta sono impianti provvisti di serbatoi di volume

sufficiente a trattenere integralmente i deflussi nei periodi di morbida e destinati a

funzionare soltanto nei periodi di magra: sono destinati al servizio di punta e la potenza

installata prevista per utilizzazioni dellordine di 1000 ore annue.

La richiesta di energia elettrica nei Paesi industrializzati, per, molto variabile,

con massimi nelle ore lavorative dei giorni feriali e minimi nelle ore notturne e nei giorni

festivi: questo dovuto ai grandi consumatori di energia elettrica, quali le industrie, che

sono fermi. In queste ore, le centrali termoelettriche costrette a lavorare a carico nominale,

per evitare perdite di rendimento, rendono disponibile in rete uneccedenza di energia

elettrica che non pu essere n utilizzata n conservata come tale. Viene allora

immagazzinata sotto forma di energia potenziale gravitazionale di masse dacqua che

vengono sollevate nelle ore vuote da un serbatoio inferiore ad uno superiore, con dislivelli

tra 200 e 1000 m, mediante motori elettrici alimentati dallenergia elettrica in esubero e a

basso costo. Lenergia gravitazionale dellacqua viene poi convertita in energia elettrica

restituendo lacqua al serbatoio inferiore attraverso una turbina che muove un generatore

che produce energia elettrica da immettere nella rete nelle ore piene o di punta a costi pi

elevati e quindi con vantaggio economico. Tali sono gli impianti reversibili di pompaggio,

o impianti ad accumulo, pi complessi di quelli a serbatoio e con maggiori perdite, il

rendimento complessivo delloperazione si aggira intorno al 70-80%: ci significa che

durante le ore di punta il 30-20% di energia elettrica prodotta nelle ore vuote si dissipa.

La potenza elettrica che un impianto idroelettrico in grado di erogare dipende

dalla portata, ovvero dalla massa dacqua per unit di tempo che fluisce attraverso la

turbina e dal salto compiuto dallacqua, determinato dal dislivello tra la quota cui

38 Capitolo 1

disponibile la risorsa idrica e il livello cui la stessa viene restituita dopo il passaggio in

turbina. In base al salto disponibile, gli impianti possono essere divisi in tre categorie:

x Alta caduta: al di sopra di 100 m;x Media caduta: 30-100 m;x Bassa caduta: 2-30 m.

Gli impianti a medio ed alto salto utilizzano sbarramenti per avviare lacqua verso

lopera di presa, dalla quale viene convogliata alle turbine attraverso una tubazione in

pressione. Le condotte forzate sono opere costose e quindi uno schema di progetto come

quello descritto di solito antieconomico per i piccoli impianti.

Gli impianti a bassa caduta sono realizzati presso lalveo del fiume. Si possono

scegliere due soluzioni tecniche. La prima di derivare lacqua fino allingresso delle

macchine mediante una breve condotta forzata come negli impianti ad alta caduta; la

seconda di creare il salto mediante una piccola diga equipaggiata con paratoie a settore e

nella quale inserita lopera di presa, la centrale e la scala dei pesci.

1.3.2.4 Fisica dellEnergia IdroelettricaLa corrente liquida di un corso naturale dacqua si dirige sempre nel verso dei livelli

decrescenti per effetto della forza di gravit. Allefflusso sono connesse trasformazioni di

energia che possono essere imposti tramite il Teorema di Bernoulli applicato tra due

sezioni della condotta forzata. Considerando due sezioni, il Teorema di Bernoulli applicato

allunit di massa dacqua e sotto lipotesi di moto unidimensionale :

Dove:

x H distanza tra le due sezioni;x u velocit media della corrente;x p pressione media dellacqua;x densit dacqua;x energia dissipata lungo il percorso.

Formula 1.1 Teorema di Bernoulli.

Capitolo 1 39

Le pressioni nelle due sezioni coincidono con le pressioni sul pelo libero dei bacini;

si tratta di pressione atmosferica che funzione della quota dei bacini stessi. Lesperienza

mostra che sia la differenza di pressione che quella delle velocit sono praticamente

trascurabili rispetto le altre grandezze in gioco. Quel che resta quindi gH= che mostra come, in assenza di opere derivative, lenergia potenziale relativa alla caduta geodetica H

integralmente dissipata in calore, per attriti e urti. Se, invece, mediante opportune condotte

forzate si deriva nel rispetto del DMV, una certa portata dacqua che viene restituita alla

quota di scarico facendole percorrere un tragitto con delle perdite energetiche minori delle prime, si ottiene una differenza positiva E che rappresenta lenergia trasformabile in

energia meccanica prima, e in energie elettrica dopo, per mezzo di turbine idrauliche

adeguatamente dimensionate:

Formula 1.2 Energia Potenziale Trasformabile in Energia Meccanica.

Un impianto s fatto ma privo di perdite sarebbe un impianto perfetto che

consentirebbe di pro-durre con una portata volumetrica Q e un salto geodetico H una

potenza pari a:

Formula 1.3 Potenza di un Sistema Privo di Perdite.

Dove:

x H dislivello geodetico, ovvero differenza di quota tra il pelo libero dellacqua del bacino a monte dello sbarramento e quella nel canale di scarico a valle;

x Q portata dellacqua;x densit dellacqua;x g accelerazione gravitazionale.

Nella realt per non si pu prescindere dalle perdite che sono di varia natura: nelle

condotte, nella macchina idraulica, nellalternatore, e perdite dovute a ipotesi

semplificative fatte in questa sede (le velocit nelle due sezioni sono simili ma non

identiche). Quello che si ottiene una potenza elettrica ai morsetti dellalternatore Peminore P0. Quindi quanto definito con P rappresenta la potenza che idealmente ottenibile

dalla trasformazione dellenergia gravitazionale del liquido erogato dal bacino a monte

40 Capitolo 1

nellunit di tempo, e quindi fornisce valori maggiori di quelli relativi ad un impianto reale

funzionante con stessa portata Q e stesso salto geodetico H. Per calcolare dunque la

potenza effettiva si fa riferimento non pi al salto geodetico ma al salto utile Hu minore del

precedente perch diminuito delle perdite di carico Hp; per cui si ottiene:

Formula 1.4 Salto Geodetico Utile.

Il rapporto tra la potenza elettrica effettiva e quella ideale inevitabilmente

inferiore allunita e rappresenta il rendimento globale dellimpianto, in genere molto

elevato: parte da un 60% nei casi meno virtuosi e sale fino a valori superiori all80%, se le

condotte sono brevi e ben proporzionate e le macchine ben costruite e opportunamente

dimensionate.

Dallultima espressione della potenza elettrica facile ricavare lenergia in kWh

prodotta da 1 m3/s di portata dacqua considerando lo stesso salto geodetico [20]:

1.3.2.5 Turbine: Definizioni e AlloggiamentoUna turbina una macchina che estrae energia da un fluido in possesso di un carico

idraulico sufficientemente elevato generato dal dislivello esistente tra la quota a cui opera

la turbina e la quota a cui viene prelevato il fluido che deve lavorare nella turbina. In

campo idroelettrico le pi diffuse tipologie di turbine sono:

x Pelton;x Francis;x Kaplan o a elica.

Elementi essenziali di una turbina sono il distributore e la girante.

Formula 1.5 Potenza Effettiva di un Impianto Idroelettrico.

Formula 1.6 Rendimento di un Impianto Idroelettrico.

Formula 1.7 Energia Elettrica di un Impianto.

Capitolo 1 41

Il distributore, ricavato nella parte fissa, anche detta statore, costituito da condotti

in cui lacqua, proveniente dallimpianto motore a monte, assume una velocit prestabilita

adatta ad entrare nella girante con i minimi urti. Qualora i condotti fissi del distributore

siano costruiti in forma di uno o pi ugelli in modo da generare uno o pi getti di acqua

che colpiscono la girante, abbiamo il distributore a getto, caratteristico della turbina Pelton.

Nella turbina Francis, invece, i condotti fissi del distributore sono generati da pale di adatto

profilo, ovvero le pale direttrici e il distributore consiste in una camera a spirale. Variando

la sezione delle luci di passaggio del distributore, e per le turbine a reazione anche la

velocit di uscita dellacqua, si regola la portata utilizzata: pertanto sul distributore che

agiscono gli organi di regolazione.

Figura 1.30 Dettaglio dei Condotti Fissi del Distributore a Gettodi una Turbina Pelton.

Figura 1.29 Dettaglio, in giallo, del distributore con pale direttrici della turbina Francis.

42 Capitolo 1

La girante, o rotore, la parte mobile della turbina. Praticamente una ruota sulla

cui periferia sono riportate delle pale che, percorse dallacqua inviata dal distributore,

permettono di trasformare lenergia posseduta dallacqua in energia meccanica resa

disponibile allalbero della girante. Le pale della girante, portate da un disco oppure

collegate direttamente al mozzo dellalbero, generano condotti che assumono forma

diversa a seconda del tipo di turbina. In base al modo in cui viene convertito il carico

idraulico disponibile, si distinguono due tipi di turbine: ad azione e a reazione.

Nelle turbine ad azione, in contenuto energetico del fluido dovuto alla variazione di

quota piezometrica viene trasformato interamente in energia cinetica allinterno del

distributore; nelle turbine a reazione lenergia potenziale viene trasformata in energia

cinetica in parte nel distributore e in parte nella girante. Pertanto si definisce grado di

reazione R il rapporto fra laliquota di carico idraulico gH che viene trasformato in

energia cinetica nella girante e lintero valore del carico idraulico gH stesso.

Indicando con gH lenergia potenziale gravitazionale di 1 kg di acqua e con 1la velocit di uscita dellacqua dal distributore della turbina, risulta quindi che il grado di

reazione R :

Le turbine vengono scelte e installate in base alle caratteristiche della risorsa e,

quindi, principalmente in base al salto e alla portata per garantire il massimo rendimento

dellimpianto [19].

Le turbine vengono posizionate nellimpianto di trasformazione, per quanto

riguarda il caso degli impianti che si avvalgono delluso di dighe a gravit, dovremo

distinguere due casi: se vengono utilizzate dighe a gravit massicce la centrale di

trasformazione, e quindi le turbine, si trova a valle del bacino, dunque lacqua dopo il salto

geodetico viene incanalata in una condotta forzata fino allimpianto.

Formula 1.8 Grado di reazione di una Turbomacchina.

Capitolo 1 43

Qualora invece siano presenti dighe a gravit alleggerite, del tipo con vani interni,

sono possibili due soluzioni, o la centrale viene posizionata a valle, come nel caso

precedente, oppure vengono sfruttati gli spazi presenti nel corpo diga. Dunque troviamo

allinterno degli spazi nella struttura le sale macchine con le turbine. La scelta in ogni caso

non dipende soltanto dalla struttura utilizzata, ma anche dalle esigenze tecniche e dalla

possibilit di realizzare o meno una soluzione [19].

1.3.2.5.1 ConclusioniIn questo paragrafo sono state affrontate le pi importanti tematiche riguardanti gli

impianti idroelettrici, in particolare pu essere utile riepilogare i criteri che determinano la

scelta di una tipologia di turbina anzich unaltra:

x turbina Pelton: utilizzata per grandi salti, solitamente tra i 300 ed i 1400m, e basse portate, nellordine dei 1500 m3/s;

Figura 1.31 Schema di funzionamento Impianto Idroelettrico con centrale a valle.

44 Capitolo 1

x turbina Francis: utilizzata per salti compresi tra 10 e 300-400 m, e portate nellordine da 23 m3/s a 4050 m3/s;

x turbina Kaplan: utilizzata per salti di piccola entit, nellordine di qualchedecina di metri, ed elevate portate, da 2-3 m3/s in su.

Capitolo 1 45

1.3.3 I Materiali

1.3.3.1 IntroduzioneLevoluzione della tecnica delle dighe a gravit port alliniziale predominio della

muratura di pietrame a quello del calcestruzzo. La muratura di pietrame ebbe infatti

numerose applicazioni nelle dighe in alta montagna costruite nel decennio fra il 1923 e il

1932. A determinare questo orientamento contribuirono da un lato la buona disponibilit di

pietrame per muratura e di manodopera addestrata a questi lavori, dallaltro la difficolt di

approvvigionamenti dinerti alluvionali e la scarsit di mezzi dopera e di trasporto.

Con i progressi nella tecnologia dei cementi e nella conoscenza del comportamento

dei conglomerati e con il contemporaneo sviluppo e perfezionamento dei macchinari per

impianti di cantiere, limpiego del calcestruzzo veniva via via estendendosi nella

costruzione delle dighe. Venivano utilizzati calcestruzzi semplici e calcestruzzi ciclopici,

cio con laggiunta nei getti, per economia, di una percentuale, intorno al 20%, di

pietrame. In un primo periodo sono stati mantenuti i paramenti di conci di pietra lavorata.

Luso del calcestruzzo ciclopico, generalmente abbandonato intorno agli anni 20, ha avuto

nuovo impiego, particolarmente in Germania, poco dopo lultima guerra, con la comparsa

sul mercato di potenti vibratori a piastra, atti ad ovviare ai difetti di compattezza e

permeabilit delle precedenti realizzazioni con quel tipo di materiale. Ma esso, pur

consentendo una sensibile economia di cemento, complica notevolmente le operazioni di

cantiere, in relazione allapprovvigionamento e posa in opera del pietrame ed accresce

limpiego di mano dopera.

Il calcestruzzo ordinario offre le qualit della resistenza elevata e

dellimpermeabilit; pu essere preparato e posto in opera con elevatissimo grado di

meccanizzazione, quindi con modesto impiego di mano dopera e in grandi volumi per

unit di tempo. Inoltre si presta meglio di qualsiasi altro materiale alla realizzazione delle

dighe a gravit di tipo alleggerito, che sono andate gradualmente sostituendo ai tipi

massicci; esso divenuto pertanto, anche in Italia, materiale pressoch esclusivo delle

moderne dighe. Per contro limpiego del calcestruzzo nelle dighe pone alcuni particolari

problemi che danno alla composizione, alla confezione e alla posa in opera di questo

materiale, per tali specie di opere, fisionomia del tutto specifica [10;12].

46 Capitolo 1

Per tutti questi motivi, nella presente tesi, la trattazione sui materiali ed aspetti

costruttivi, riguarder principalmente i calcestruzzi, la loro esecuzione e le loro modalit di

impiego nella costruzione delle dighe.

1.3.3.2 Caratteristiche del Calcestruzzo

1.3.3.2.1 CompattezzaAl calcestruzzo per dighe non viene mai richiesta unelevata resistenza alla brevi

stagionature in quanto i carichi esterni entrano in azione in tempi ampiamente differiti

rispetto ai momenti di esecuzione delle parti pi sollecitate dellopera. Nelle dighe a

gravit le sollecitazioni sono di norma modeste rispetto alle resistenze che possono essere

correntemente raggiunte dal calcestruzzo. Ma in quanto il peso per unit di volume

qualit fondamentale nei riguardi della stabilit dellopera, dovr ottenersi il valore di esso

il pi elevato possibile, il quale si aggira, a seconda della natura petrografica degli

aggregati, fra 2,42 e 2,45 t/m3.

In ogni caso il calcestruzzo deve essere in grado elevato non permeabile. In

argomento da tener presente che le permeazioni: inducono pressioni interstiziali, o

sottopressioni, le quali influiscono sul funzionamento statico delle dighe a gravit; in ogni

caso costituiscono il mezzo conduttore nellinterno della massa, delle azioni di

degradazione, sia chimiche che fisiche, come il gelo.

Peso per unit di volume e grado di permeabilit sono due aspetti di una sola

caratteristica del materiale, la compattezza [10;12].

1.3.3.2.2 Calore dIdratazioneLe reazioni didratazione del cemento sono esotermiche. Lemissione del calore inizia

insieme alla presa, prosegue con quantit per unit di tempo per mesi. La rapidit dello

sviluppo di calore e la quantit totale di questo, emessa, variano ampiamente con la

composizione del cemento. Mentre nei getti sottili il calore sviluppato pu raggiungere

rapidamente le facce di essi per poi disperdersi nellambiente, nei getti di forte spessore, in

relazione allelevata resistenza del materiale al flusso termico, nascono forti gradienti

termici, e quindi forti sopraelevamenti interni di temperatura, necessari a che il calore

possa raggiungere le superfici esterne. Ci avviene gi nel periodo di prima maturazione,

Capitolo 1 47

in una fase cio di plasticit del materiale, per cui lespansione corrispondente al

riscaldamento non induce sollecitazioni. Nella fase di raffreddamento successiva, ridotta o

cessata lemissione del calore, il calcestruzzo gi indurito e la corrispondente tendenza

alla contrazione si risolve in sollecitazioni di trazione che possono raggiungere il limite di

resistenza e determinare fessurazioni.

Effetti analoghi risultano dalla tendenza propria del calcestruzzo al ritiro,

conseguenza del suo prosciugamento; il fenomeno differito nel tempo pi di quello di

specie termica, per la maggior difficolt e quindi lentezza del flusso dellacqua dallinterno

alla pareti esterne.

La divisione della struttura, in fase costruttiva, in conci con relativi giunti,

permanenti nel caso di dighe a gravit, con sfalsamento a quote progressive delle superfici

di getto, per cui una delle facce del giunto resta per un certo tempo a contatto con laria,

amplia le superfici esterne, anche se solo per periodi di tempo limitati, ma soprattutto

interrompe la continuit della struttura e cos consente ritiri senza sollecitazioni; ma

efficace solo in parte, relativamente a quanto sopra accennato, giacch le dimensioni

longitudinali e soprattutto trasversali dei singoli conci, restano ancora tali da determinare

disuniformit di temperatura notevoli e quindi coazioni.

Quando lopera ha dimensioni normali allasse planimetrico elevate, talora

adottata la divisione dei conci anche su piani paralleli allasse predetto. Ma con ci,

nonostante i provvedimenti di saldatura dei conci, resta dubbia la continuit statica.

Linsufficienza di provvedimenti di tal genere nei riguardi dei fenomeni sopra

segnalati, particolarmente nelle opere di maggiori dimensioni, ha indotto ad accorgimenti e

provvedimenti di attenuazione delle cause e cio: impiego di cementi studiati e preparati

per getti di grandi masse, il cui sviluppo di calore didratazione lento, nonch

globalmente ridotto; refrigerazione del calcestruzzo durante la fase di presa del cemento;

posa in opera del calcestruzzo con temperature proprie inferiori a quelle ambientali. Per

mantenere moderata la temperatura in fase dindurimento vengono annegate delle

serpentine allinterno del getto, cui viene fatto circolare dellacqua a temperatura ambiente

o refrigerata, per tutto il tempo della maggiore emissione del calore didratazione, con che

viene asportata una frazione notevole di esso e di conseguenza viene moderata la tendenza

al riscaldamento della massa.

48 Capitolo 1

Per la posa in opera del calcestruzzo a temperature inferiori a quella ambientale,

come pu essere particolarmente opportuno nelle regioni tropicali, gli inerti vengono

preliminarmente raffreddati e talora lacqua dimpasto viene mischiata con ghiaccio. Nella

costruzione della diga di Itaip, la diga pi grande del mondo, che si trova al confine tra

Brasile e Paraguay, a causa dellelevate temperature ambientali, gli inerti sono stati

refrigerati e la temperatura di questultimi, e del calcestruzzo, stata mantenuta accettabile

grazie ad un getto costante di acqua fredda vaporizzata [10;12].

1.3.3.2.3 LavorabilitLa lavorabilit di un calcestruzzo un insieme di sue caratteristiche per cui un

mescolamento omogeneo dei vari componenti ottenibile in tempo breve e per cui,

principalmente, il getto trattato con vibrazione, con apparecchi ad immersione, raggiunge

in breve tempo la maggior possibile compattezza e la totale omogeneit, senza refluimento

in superficie dei componenti fluidi e sottili. La lavorabilit una caratteristica essenziale

del calcestruzzo fresco, da cui dipendono il peso di volume e la permeabilit del

calcestruzzo indurito; essa pu essere diversa per gli aggregati alluvionali e per quelli di

frantumazione; dipende dalla natura petrografica degli aggregati, dal loro assortimento

granulometrico e in particolare dalla dose delle particelle fini e dalla loro natura

petrografica, dalla dose di cemento e dalla dose di acqua ed infine dal tipo, potenza e

frequenza delle apparecchiature di vibrazione. Pu essere accresciuta con limpiego di

speciali additivi. La lavorabilit legata alla consistenza del calcestruzzo [10;12].

1.3.3.2.4 Ritiro e RigonfiamentoI prodotti dellidratazione del cemento dopo lindurimento sono soggetti al fenomeno del

rigonfiamento, aumento di volume, ovvero del ritiro, diminuzione del volume, correlativi

rispettivamente ad assorbimento o perdita dacqua.

La pasta di cemento o il calcestruzzo mantenuti continuamente bagnati aumentano

di volume e di peso, in conseguenza alla tendenza dei gel ad assorbire molecole dacqua;

tale tendenza induce una pressione relativa dellacqua esterna che dilata gli interspazi fra le

lamelle dei prodotti solidi dellidratazione e ne riduce cos le forze di coesione.

Lallungamento lineare unitario della pasta di cemento, a partire da 24 ore dallimpasto,

Capitolo 1 49

raggiunge valori di 1,3x10-3 dopo 100 giorni, 2x10-3 dopo 1000 giorni, 2,2x10-3 dopo 2000

giorni, mentre nel calcestruzzo lallungamento pi ridotto: valore a 12 mesi dallimpasto,

fra 0,10,15 x 10-3 per contenuto di cemento di circa 300 kg/m3. Laumento relativo del

peso dellordine dell1% maggiore dellaumento di volume.

Il cemento indurito conservato in aria non satura di umidit soggetto a ritiro per

perdita dacqua, anche noto come ritiro da disseccamento. La perdita solo in parte

reversibile. Una pasta prosciugatasi in atmosfera a bassa umidit, posta poi in acqua o in

atmosfera ad alta umidit, rigonfia ma non raggiunge il volume che avrebbe avuto in

assenza di disseccamento iniziale; la parte irreversibile si aggira intorno al 60% e il 30%.

Lirreversibilit pu essere attribuita al formarsi di nuovi legami fra i gel nel periodo di

prosciugamento. Durante il disseccamento la pasta indurita perde dapprima lacqua libera

senza per questo variare sensibilmente di volume. Successivamente perde lacqua di

assorbimento e se non esistono vincoli, si verifica riduzione di volume corrispondente alla

perdita di uno strato dacqua assorbita nella superficie del gel, di spessore pari a quello di

una molecola dacqua. Gli aggregati delle malte e dei calcestruzzi, in quanto costituiscono

un vincolo al ritiro della pasta, riducono lentit del ritiro complessivo.

Lentit del ritiro non varia sostanzialmente qualunque sia la lunghezza di un

periodo iniziale in cui il materiale mantenuto umido. Ne variano peraltro gli effetti: in

generale, giacch col tempo cresce la resistenza meccanica della pasta, pi facile che il

ritiro determini fessurazioni se esso si verifica dopo pi breve periodo dindurimento.

Ovviamente questo un aspetto fondamentale, in quanto uneventuale fessurazione,

anche se di limitata estensione, potrebbe compromettere la tenuta dellopera provocando

perdite in termini economici [10;12].

1.3.3.2.5 Modulo Elastico e Modulo DinamicoIl comportamento del calcestruzzo indurito a fronte delle azioni meccaniche trova

spiegazione nella sua struttura. Il calcestruzzo indurito un materiale eterogeneo, costituito

da un insieme di elementi aggregati con propria struttura, di norma cristallina e di bassa

porosit, chimicamente stabili, connessi tra loro da un legante a struttura fibrosa e porosa,

in evoluzione chimica per molto tempo, con acqua fissa di assorbimento nei pori del gel, e

con pori capillari che possono contenere anchessi acqua, la quale per soggetta a

migrazioni verso lesterno o viceversa.

50 Capitolo 1

Le caratteristiche di un corpo solido complesso derivano dai legami interni di

natura chimica del gel, dei legami di natura fisica fra fibre, dei legami di specie

difficilmente precisabili e probabilmente complesse fra gel e superfici degli aggregati; e

mentre alla minuta distribuzione interna sotto carico di deformazioni e sollecitazioni

partecipa lelasticit propria degli aggregati, agli effetti della resistenza non hanno di

norma influenza i legami interni di questi, perch forti di quelli interni dei gel e di quelli

fra gel e superfici sovraccennate. Nella figura seguente mostrato il legame costitutivo del

calcestruzzo compresso, caratterizzato da una prima parte pressoch rettilinea ed una

seconda parte curva, con curvatura volta allasse delle deformazioni; in alcuni casi si

presenta una curvatura risvolta dalla parte delle tensioni, dovuta al chiudersi di piccole

fessure di ritiro.

Nella parte di curva relativa alla fase di

carico possono essere individuati, un modulo

iniziale, moduli tangenti e moduli secanti, il

recupero delle deformazioni allo scarico non

totale per cui una parte deformazioni di

natura plastica. Col diminuire della velocit di

applicazione delle sollecitazioni cresce la

curvatura della linea della fase di carico e

insieme cresce la deformazione per uguali

sollecitazione; ci indicativo della consistenza

di una deformazione immediata e di una

deformazione viscosa. Per carichi applicati in

tempi dellordine del centesimo di secondo, le

deformazioni sono assai piccole e la linea

retta. Leffetto del tempo sulla grandezza delle

deformazioni e sulla curvatura assai sensibile quando i carichi vengono applicati in tempi

fra qualche secondo ed un paio di minuti; assai poco sensibile invece passando da tempi

di carico dellordine di secondo a quello delle prime decine di minuti. La viscosit e quindi

la curvatura della curva attribuita ad un insorgere progressivo di microfratture

nellinterfaccia tra gel del cemento e inerti e conseguente concentrazione delle

sollecitazioni locali nei legami residui. La pendenza della retta fra i punti estremi della

Figura 1.32 Legame Costitutivo delCalcestruzzo.

Capitolo 1 51

linea relativa alla fase di scarico spesso uguale al modulo tangente iniziale. A causa della

curvatura e del suo variare preaccennato, i moduli tangente e secante risultano per uno

stesso materiale diversi a seconda delle modalit di applicazione del carico.

Ripetuti pi volte i cicli di carico e

scarico si riduce progressivamente la

componente viscosa della deformazione e si

riduce la curvatura delle linee in questione; in

tal modo possibile definire ed individuare il

modulo elastico.

Spesso viene considerato come modulo

elastico caratteristico del materiale, il modulo

secante della prima fase di carico, ma a causa

della curvatura del diagramma tenso-

deformativo, necessario che sia precisato con il valore della sollecitazione, il punto

estremo superiore assunto a definire la retta secante.

Se la fase di carico progressivo non interrotta da una fase di scarico, il diagramma

tenso-deformativo raggiunge un massimo e successivamente, se viene mantenuta costante

la velocit di deformazione, il carico decresce, mentre cresce la deformazione. Per la

sollecitazione di trazione i rapporti tensione-deformazione sono sostanzialmente analoghi a

quelli per sollecitazioni di

compressione, e sostanzialmente

uguali sono i valori dei moduli

elastici.

Considerati calcestruzzi di

diversa resistenza a compressione,

i diagrammi delle deformazioni

rispetto ai rapporti tra

sollecitazioni di carico e

resistenze, mostrano che per valori

intermedi di tali rapporti le

deformazioni sono tanto maggiori

quanto maggiore la resistenza,

Figura 1.33 Comportamento a rottura delcalcestruzzo.

Figura 1.34 Relazione tra deformazioni e rapportosollecitazione/resistenza per calcestruzzi di diversa classe.

52 Capitolo 1

mentre a sollecitazioni prossime a questultime lordine delle deformazioni invertito.

Quindi i moduli secanti a met della resistenza sono maggiori per calcestruzzi di classe

minore; viceversa invece i moduli secanti alla sollecitazione di rottura. largamente

provato che il modulo elastico di calcestruzzi non soggetti ad azioni di degrado, ha un

progressivo incremento nel corso degli anni.

La deformazione plastica ha nelle strutture di massa un effetto negativo nel primo

periodo. Durante la fase del riscaldamento che ha origine dallo sviluppo del calore

didratazione, con il calcestruzzo ancora di breve et, le sollecitazioni di compressione

conseguenti alla tendenza alla dilatazione vengono quasi annullate dalla deformazione

plastica. Durante la successiva fase di raffreddamento per eliminazione del calore dalle

superfici esterne, che si svolge con il calcestruzzo maturo, le sollecitazioni di trazione

derivate dalla tendenza al ritiro, non hanno compensazione dalle scomparse, o ridotte,

precedenti sollecitazioni di compressione.

I moduli a compressione o a flessione quali risultanti dai rapporti fra sollecitazioni

e deformazioni in prove di carico monoassiali su provini di prestabilita forma, soggetti a

sollecitazioni progressivamente crescenti, si dicono statici [10;12].

Si definiscono invece moduli dinamici quelli derivanti dalla misura della frequenza

propria di vibrazione longitudinale, flessionale o torsionale del provino, dedotta dalle

espressioni che legano la frequenza predetta al modulo elastico. Quando le vibrazioni

inducono sollecitazioni piccolissime, i moduli dinamici sono approssimabili ai moduli

statici iniziali. Il modulo dinamico pi semplice da determinare sperimentalmente, ed

ricavato con un carico impulsivo. In questo modo si applica al provino una tensione non

significativa e nessuna microfessurazione viene indotta nel calcestruzzo durante la prova;

di conseguenza, la viscosit non si manifesta ed il modulo dinamico si riferisce quasi

esclusivamente ad effetti puramente elastici [21]. Per questa ragione il modulo dinamico

considerato approssimativamente uguale al modulo tangente iniziale alla curva di legame

costitutivo, determinata da una prova statica [23, 24] ed pi alto del modulo secante.

Purtroppo, il rapporto fra modulo di elasticit statico e dinamico non si mantiene

costante, ma sincrementa con let e la resistenza del calcestruzzo [21]. Dalla variabilit di

tale rapporto deriva la difficolt di ottenere il modulo elastico statico, la cui conoscenza

indispensabile nella progettazione strutturale, da una semplice conversione del valore del

modulo elastico dinamico. Sia Es che Ed aumentano con la resistenza e, anche se il loro

Capitolo 1 53

rapporto pu variare, sono entrambi calcolati in quello che si considera il ramo elastico del

comportamento stress-strain del calcestruzzo.

La variabilit del rapporto fra i due moduli sar comunque inferiore a quella che si

ottiene dalla relazione fra modulo elastico e resistenza. In realt, diverse relazioni

empiriche, anche se valide in intervalli limitati, sono richiamate in letteratura [21, 25, 26,

27]; lEN 1992-1-1 suggerisce un legame semplice fra modulo secante e tangente,

ammettendo per il modulo tangente un incremento del 5% rispetto al modulo secante [22].

Anche il Bollettino Ufficiale CNR Norme Tecniche n. 195 [24] ammette la possibilit

di legare i valori dei due moduli elastici, assumendo Es inferiore ad Ed del 10%. Altre

differenze percentuali o valori del tutto simili si riscontrano in letteratura [25, 26].

Il modulo dinamico ha una stretta correlazione con la compattezza del calcestruzzo.

Per la valutazione del modulo dinamico pu essere utilizzata la procedura descritta

nelle UNI 9771, ovvero attraverso la vibrazione del provino, applicando una tensione

trascurabile. La frequenza di risonanza estensionale per il calcolo di Ed acquisita con

accelerometro, rigidamente fissato su una base del provino. Infine il modulo Ed, espresso in

Pa, ricavato tramite la seguente relazione:

Dove:

x fe la frequenza di risonanza estensionale espressa in Hertz;x h laltezza del provino in metri;x la massa volumica del materiale espressa in kg/m3;x C1 un fattore di correzione pari a:

Dove:

x coefficiente di Poisson;x A area della sezione;x J momento dinerzia della sezione.

Formula 1.9 Modulo Elastico Dinamico.

Formula 1.10 Fattore di Correzione C1.

54 Capitolo 1

Da numerose campagne di prove si mette in luce come il valore del modulo Ed

pi elevato rispetto al valore del modulo Es.

Per quanto riguarda invece il coefficiente di Poisson, generalmente determinato

con procedimenti diretti. Il suo valore dedotto da metodi statistici risulta compreso tra 0,11

e 0,21, con maggior frequenza fra 0,15 e 0,2. La determinazione con metodi dinamici, d

invece valori maggiori, specialmente alle medie maturazioni, con media intorno a 0,24. Il

valore del coefficiente stesso nelle paste di cemento 0,25, mentre quello degli aggregati

inferiore, per cui il valore del calcestruzzo tanto minore di 0,25 quanto minore il

rapporto cemento/aggregati.

1.3.3.2.6 La Deformazione ViscosaUn carattere meccanico di grande rilievo del calcestruzzo la deformazione viscosa, o

creep, intesa con questa qualifica la deformazione progressiva nel tempo, del materiale,

sottoposto a sollecitazione costante. Essa una deformazione differita irreversibile, dovuta

al fluage che dipende, come il ritiro, dallumidit dellambiente e dalla superficie esposta

allaria. Ha fondamentale importanza nelle strutture in quanto pu raggiungere entit

notevolmente superiori a quella della deformazione istantanea; ha daltra parte un notevole

effetto nelle strutture vincolate sia internamente che al contorno, giacch essa trasforma

gradualmente le coazioni in deformazioni, quindi equivalente ad un cedimento di

vincolo, con riduzione delle sollecitazioni relative. Per capire il fenomeno consideriamo un

provino sul quale agisca un carico monoassiale di compressione, trascurando leffetto delle

deformazioni da ritiro, avremo il seguente andamento nel tempo:

Allatto dellapplicazione del carico il calcestruzzo manifesta una deformazione

finita istantanea, tratto a della precedente figura; mantenendo poi il carico costante, la

Figura 1.35 Andamento delle deformazioni nel tempo.

Capitolo 1 55

deformazione aumenta con il tempo, da principio rapidamente e poi sempre pi

lentamente, con tendenza a stabilizzarsi, tale deformazione progressiva a carico costante

costituisce la deformazione viscosa, tratto b della precedente figura. A titolo

dinformazione generale il 1835% della deformazione viscosa totale si verifica nelle

prime due settimane, il 4070% si sviluppa nei primi tre mesi e il 6481% nel primo anno.

Nel tratto di scarico poi, tratto c, abbiamo il recupero immediato della

deformazione istantanea, mentre la deformazione viscosa viene recuperata solo in piccola

parte, mostrando quindi la natura plastica di tale deformazione.

da sottolineare che linfluenza dellumidit sulla deformazione viscosa di natura

diversa rispetto allinfluenza sul ritiro, anche se, in genere, un calcestruzzo di cui elevata

lentit di ritiro ha anche elevata deformabilit viscosa. La differenza di natura dei due

fenomeni provata fra laltro del fatto che la deformazione viscosa non accompagnata da

perdita dacqua n il recupero dassorbimento non accompagnato da variazioni di peso.

Circa linfluenza della temperatura sulla deformazione viscosa da segnalare solo

che la rapidit di questa cresce con la temperatura fino ad un massimo raggiunto a circa

70. Le dipendenze a temperature maggiori non interessano il campo della tecnica delle

dighe.

Esistono diverse metodologie per tener conto della natura viscosa del calcestruzzo