Come si fa a costruire opere d’ingegneria sott’acqua? Le strutture tecnico-ingegneristiche

Grandi strutture come i ponti, solitamente, presentano elementi portanti totalmente annegati in acqua a valle della loro realizzazione. Ne è un esempio il Ponte sullo stretto di Akashi, in Giappone, o il recentemente noto Ponte di Crimea. Sorge quindi spontanea la domanda sul come sia possibile costruire quella parte di struttura che sta completamente immersa. Per realizzare queste particolari opere, si utilizzano solitamente strutture ingegneristiche chiamate Cofferdam. In altri casi, meno impegnativi dal punto di vista della grandezza dell'opera, si possono realizzare pali infissi che serviranno poi da supporto successivo alle strutture in elevazione. Questo articolo spiega il funzionamento meccanico delle due tipologie di soluzioni e la loro importanza per la realizzazione delle opere.

Cosa sono i cofferdam e come si usano

Una delle principali strutture utilizzate per costruire sott'acqua è il cofferdam. Un cofferdam è sostanzialmente un cassone a tenuta idraulica che permette di isolare la parte interna dello stesso da quello che avviene all'esterno. Sono strutture solitamente fabbricate esternamente al sito, opportunamente posizionate nella fase di costruzione per assolvere al loro compito. In altri casi, possono anche essere realizzate proprio sul sito dove sorgerà l'effettiva opera.

Tipologia di materiale

Un cofferdam è realizzato tramite accostamento di palancole in acciaio (esistono tuttavia anche cofferdam in cemento armato o riempiti di roccia), che hanno forme con sagome ondulate, tali da massimizzare la resa statica della palancola ed evitare fenomeni di instabilità o, in caso contrario, un peso eccessivo dell'opera.

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La grandezza della palancola è calcolata in modo da garantire la giusta resistenza contro le azioni di spinta e pressione dell'acqua sulle pareti: cioè, non dovrà piegarsi per effetto della spinta idraulica. Due palancole accostate tra loro vengono letteralmente montate tra loro grazie alla presenza di un giunto maschio-femmina tra le stesse. Questo giunto, tra le altre cose, garantisce anche la tenuta idraulica tra i vari elementi.

La profondità di infissione

Dal punto di vista progettuale, il parametro di progetto fondamentale è la profondità per cui è necessario infiggere la palancolata. Sono due le ragioni principali che governano l'altezza di infissione:

• La palancola deve contrastare l'azione di spinta dell'acqua e per farlo c'è bisogno che, alla base, si realizzi una reazione di contrasto che evita il ribaltamento verso l'interno della parete. Questo avviene tramite l'ausilio del terreno a ridosso della parte infissa, che funge da vincolo per il cofferdam. Si parla in questo caso di mobilitazione della spinta passiva del terreno. Vuol dire che il terreno, tramite la sua resistenza, riesce a sopperire alle azioni di spinta dell'acqua esercitate lungo l'altezza esposta. Al crescere dell'altezza di infissione, cresce la resistenza offerta dal terreno per contrastare questa spinta;
• Visto che il terreno è permeabile, l'acqua oltre il cofferdam comincia a mettersi in moto al suo interno cercando di ri-eguagliare il dislivello di acqua che si è creato: si genera quindi un moto di filtrazione verso l'interno della vasca. La velocità di questo movimento dipende molto dalle caratteristiche del terreno di fondazione, tuttavia in alcuni casi è possibile utilizzare pompe in continuo per rallentare il processo ed assicurarsi che il fondo resti asciutto durante la fase di costruzione. Tuttavia, se la profondità di infissione è corta, possono generarsi dei fenomeni di collasso chiamati sifonamento e sollevamento, che consistono, in maniera localizzata o estesa, nell'apertura del fondo per effetto della spinta dell'acqua in moto che tenta di risalire. La profondità di infissione è cruciale in questo meccanismo, perché è da questa che dipende la resistenza del sistema geotecnico a questi due fenomeni pericolosissimi.

La tecnica di montaggio

Una volta note le dimensioni di infissione e l'estensione della zona di lavoro "asciutta", il cofferdam viene realizzato e posizionato in sito, dove sarà infisso nel terreno fino alle profondità di progetto. Una volta infisso, si è realizzata una vera e propria scissione idraulica tra l'interno del cofferdam e l'esterno.

Pertanto, l'acqua che si trova all'interno può essere allontanata mediante l'ausilio di pompe idrauliche. Si realizza quindi la struttura asciutta, pronta per diventare cantiere di realizzazione delle fondazioni, ad esempio, di un ponte.

Una volta eretta la struttura e aspettati i tempi di maturazione del calcestruzzo, il cofferdam non ha più utilità e può quindi essere smontato. Si effettua perciò prima il riempimento della parte interna, con acqua, e poi letteralmente si sfila la palancolata dal terreno. L'acqua dentro è ora necessaria perché, in questo modo, la rimozione della palancola avviene in sicurezza, dato che le forze che agiscono su essa (la pressione dell'acqua) sono bilanciate tra dentro e fuori.

La tecnica dei pali infissi

Una seconda tipologia di tecnica utilizzata per realizzare strutture sott'acqua è quella dei pali infissi. Un palo infisso viene realizzato con lo stesso principio con cui si pianta un chiodo in un tavolato o in un muro. Stiamo parlando sostanzialmente di strutture tubolari di acciaio, cave e di consistente lunghezza, che vengono posizionate in mare e infisse nel fondale per una lunghezza adeguatamente progettata.

A valle dell'infissione, il palo cavo rappresenta un cassero per il getto del calcestruzzo, che sarà l'effettiva struttura portante che garantirà resistenza e stabilità alle strutture che verranno posizionate sopra di essi. In questo caso, per distribuire per appunto il peso della struttura che vi grava sopra, si ha a che fare con un numero consistente di pali. Il problema è che le fondazioni che si realizzano con l'infissione hanno ridotta capacità portante verticale (proprio perché di ridotta estensione in pianta) e scarsa infissione nel terreno, al contrario di quanto avviene nelle fondazioni su pali.

Questa tipologia di tecnica ricorda quella delle palafitte, con la differenza che in quel caso, solitamente, il palo veniva realizzato in legno. Rappresenta quindi una naturale evoluzione di questo concetto che sopperisce al grosso problema di durabilità del legno in ambienti marini aggressivi.

E le dighe?

Facciamo una precisazione: a differenza delle fondazioni di un ponte, ad esempio, una diga non viene realizzata sott'acqua perché, durante le fasi costruttive, il bacino che si realizzerà a monte della diga non esiste ancora! Sarà proprio la diga, infatti, a renderne possibile il riempimento. Pertanto, la costruzione di una diga è, in un certo senso, usuale. Di fatto, questa tipologia di opera non richiede particolari accorgimenti in merito all'allontanamento dell'acqua durante le fasi costruttive proprio perché non c'è acqua in questa fase.