La diga del Gleno a un secolo dal disastro
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Riflessioni sul progetto e sulla costruzione di un’imponente opera di ingegneria Il 1° dicembre 1923, dopo soli due mesi dall’ultimazione dei lavori, la diga del Gleno crolla riversando nel fondovalle sei milioni di metri cubi di acqua, fango e detriti che inghiottiscono interi paesi e causano centinaia di morti. Di ciò che doveva rappresentare il rilancio idroelettrico della valle rimangono oggi solo due tronconi e un enorme squarcio. Nel centenario della tragedia, il Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate dell’Università degli studi di Bergamo, insieme ai laureandi del corso di Laurea Magistrale in Ingegneria delle Costruzioni Edili, ha avviato una ricerca interdisciplinare per ripercorrere la storia progettuale e costruttiva della diga e comprendere le peculiarità di un’opera ingegneristica innovativa e ardita, condotta tramite indagini storico documentarie, indagini conoscitive attraverso il rilevamento 3D e indagini di caratterizzazione materica e analisi strutturale. Uno studio confluito in un progetto di Public Engagement che vuole fare memoria del disastro del Gleno, sensibilizzare il pubblico sul tema delle grandi infrastrutture in contesti paesaggistici particolarmente fragili e mettere in luce il potenziale della ricerca e dell’ingegneria per la conservazione del nostro patrimonio infrastrutturale.
Progetto finanziato nell’ambito del bando di Ateneo per iniziative di PUBLIC ENGAGEMENT 2023
CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA DELLE COSTRUZIONI EDILI
Le dighe nella storia Perché si realizzano?
Cosa è una diga? Le dighe o traverse sono opere artificiali di sbarramento di un corso d’acqua.
Per formare un lago artificiale attraverso il quale soddisfare i fabbisogni:
IDROPOTABILI
AGRICOLI
ENERGETICI
Cosa cambiò nel tempo?
Quando? La più antica diga di cui oggi abbiamo ancora traccia è quella realizzata a Jawa (Giordania) nel 3000 a.C.
1. La rivoluzione industriale e la crescente necessità di energia per le industrie. 2. La nascita di nuove tecnologie e materiali con conseguente sviluppo di nuove geometrie per le strutture. Questi fattori determinarono la nascita di numerose nuove dighe. Immagine: https://dgdighe.mit.gov.it/categoria/articolo/_storia_delle_dighe/prime_dighe
Le dighe nell’età contemporanea circa
80mila dighe nel mondo
circa
532 grandi dighe in Italia
Diga di Kariba
Diga del Vajont
TIPOLOGIA
TIPOLOGIA
Diga ad arco
Diga a cupola
ALTEZZA
ALTEZZA
128 m
261,5 m
LUNGHEZZA
LUNGHEZZA
579 m
190 m
CAPACITÀ INVASO
NEL MONDO
185 miliardi di m3
8a diga più alta
Diga di Jinping-I
Diga di Alpe Gera
TIPOLOGIA
TIPOLOGIA
Diga ad arco
Diga a gravità
ALTEZZA
ALTEZZA
305 m
160 m
LUNGHEZZA
LUNGHEZZA
569 m
528 m
CAPACITÀ INVASO
CAPACITÀ INVASO
7,76 miliardi di m3
68,10 milioni di m3
Diga di Itaipu
Diga di Santa Giustina
TIPOLOGIA
TIPOLOGIA
Diga a gravità
Diga ad arco
ALTEZZA
ALTEZZA
196 m
152,5 m
LUNGHEZZA
LUNGHEZZA
7919 m
124 m
PRODUZIONE ENERGETICA
CAPACITÀ INVASO
90620 GWh/anno
182 milioni di m3
(ZAMBIA)
(CINA)
(BRASILE – PARAGUAY)
(PORDENONE)
(SONDRIO)
(TRENTO)
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Le tipologie di diga Normativa di riferimento D.M. 26 – 06 – 2014
Come si classificano le dighe? Per tipologia: DIGHE IN CALCESTRUZZO
Norme Tecniche per la progettazione e la costruzione di sbarramenti di ritenuta (dighe e traverse).
DIGHE IN MATERIALI SCIOLTI
TRAVERSE FLUVIALI
DIGHE DI TIPO MISTO
Comportamento ad arco Dighe in calcestruzzo A GRAVITÀ
A VOLTA
Ordinarie 2. Alleggerite 3. Alleggerite ad archi multipli
1.
1.
FUNICOLARE DEI CARICHI
ANTI FUNICOLARE DEI CARICHI
Fune soggetta a una sola trazione
Arco soggetto a una sola compressione
Ad arco 2. Arco gravità 3. A cupola
La storia delle dighe ad archi multipli
«Cylinder formula» per calcolo delle spessore
t=
J. S. Eastwood e le dighe ad archi multipli
Nei primi anni del 1800 il matematico francese Louis Navier sviluppò una formula semplificata detta «cylinder formula» attraverso la quale determinare lo spessore dell’arco in funzione di geometria, pressione idrostatica e tensione ammissibile del materiale.
P·r
t = spessore dell’arco (mm) P = pressione dell’acqua (MPa)
σAMM
r = raggio dell’arco (mm) σAMM = sforzo di compressione ammissibile (MPa)
Nel 1908 l’ingegnere americano John S. Eastwood costruì la prima diga ad archi multipli in calcestruzzo armato. Eastwood progettò questa nuova tipologia di diga spinto dalla necessità di minimizzare i costi di costruzione. Riuscì a raggiungere il suo obiettivo in seguito a numerosi studi attraverso i quali determinò dei fattori di sicurezza che gli permisero di ridurre il quantitativo di calcestruzzo impiegato.
Le dighe ad archi multipli in Italia
ESEMPIO
Hume Lake Dam TIPOLOGIA
ALTEZZA
Diga ad archi multipli
19 m
SPESSORE DELL’ARCO
RAGGIO DELL’ARCO
0,75 m
7,5 m
Anche in Italia, intorno al 1920, le dighe ad archi multipli iniziarono a diffondersi. La prima a essere completata fu la Diga di Riolunato (Modena) nel 1920, seguita dalla Diga di Santa Chiara d’Ula (Oristano) nel 1923.
Materiale utilizzato al variare dello sbarramento: DIGA A GRAVITÀ
DIGA AD ARCHI MULTIPLI
15300 m3
1687 m3
TIPOLOGIA
ALTEZZA
Diga ad archi multipli 70,5 m Immagine: https://www.loc.gov/resource/hhh.ca1294.photos?st=gallery
Risparmiato l’89% del materiale
LUNGHEZZA
CAPACITÀ D’INVASO
260 m
400 milioni di m3 Immagine: https://www.archeologiaindustriale.org/la-diga-di-santa-chiara-e-il-lagoomodeo-1924-1997/
La diga di Santa Chiara d’Ula una volta ultimata divenne lo sbarramento ad archi multipli più alto al mondo.
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La diga del Gleno Dal progetto al crollo 1907
Prima richiesta di concessione per derivare i torrenti Nembo e Povo.
1916
L’azienda manifatturiera Fratelli Viganò di Ponte Albiate di Triuggio (MB) acquistò la concessione.
1919
COMMITTENTE
PROGETTISTI
Sig. Giacomo Trumpy
Ingg. Carlo e Angelo Tosana
COMMITTENTE
PROGETTISTA
Soc. Fratelli Viganò
Ing. Giuseppe Gmur
Presentato il progetto al Genio Civile di Bergamo, dove si prevedeva di realizzare una diga a gravità in muratura in pietra e calce idraulica. Foto scattate dai laureandi Bianchessi-Folli-Rapelli presso Archivio di Stato di Bergamo
Inizio dei lavori di scavo con realizzazione delle fondazioni sulle quali vincolare le murature in pietra del tampone. Foto tratte dall’archivio dell’Ing. Conti
1920
1921 1922
Direzione dei lavori affidata all’Ing. Giovanni Battista Santangelo. Proposta di variazione al progetto: costruzione di una diga ad archi multipli in calcestruzzo.
Inizio della costruzione della diga ad archi multipli in calcestruzzo armato composta da: 31 piloni alti 29,5 m e 25 volte con raggio di 3 m e spessore tra 0,4 m e 0,8 m.
Foto tratte dall’archivio dell’Ing. Conti
Ottobre 1923
Conclusione dei lavori di costruzione. L’invaso fu riempito fino alla quota di 1548 m s.l.m. raggiungendo il carico massimo dell’invaso pari a 6 milioni di m3.
Foto tratte dall’archivio dell’Ing. Conti
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La diga del Gleno Dal progetto al crollo
Ottobre 1923
Il 21 ottobre 1923 si registrarono abbondanti piogge e il livello dell’acqua raggiunse quota 1548,2 m. Il 23 ottobre 1923 gli Ing. Lombardi e Sassi visitarono la diga: non furono riscontrate anomalie o segni di cedimento.
Foto tratte dall’archivio dell’Ing. Conti
Dicembre 1923
La mattina del 1° dicembre 1923, verso le ore 7.15, si verificò il crollo dei piloni posti al di sopra del tampone in muratura di pietra, provocando il riversamento di 6 milioni di m3 di acqua sui Comuni di Bueggio, Dezzo, Mazzunno, Angolo, Gorzone e Corna di Darfo.
Foto tratte dall’archivio dell’Ing. Conti
1924
Il processo fu gestito nella giurisdizione del Tribunale di Bergamo: il giudice istruttore dispose l’acquisizione della documentazione tecnica e raccolse le numerose testimonianze. Il 21 gennaio 1924 fu disposto il mandato di comparizione per gli imputati: Virgilio Viganò - Impresa Viganò Ing. Giovanni Battista Santangelo (committente dell’opera)
(progettista dell’opera)
Luigi Vita (titolare impresa costruttrice)
Al fine di definire le cause del crollo, il Tribunale di Bergamo nominò una commissione di periti per svolgere delle valutazioni tecniche. Lo stesso venne fatto dagli indagati, la famiglia Viganò e l’Ing. Santangelo. TECNICI NOMINATI DALLA DIFESA:
Ing. Gaetano Ganassini Ing. Arturo Danusso
Ing. Mario Baroni Ing. Ugo Granzotto Ing. Luigi Kambo Ing. Urbano Marzoli
Foto scattate dai laureandi Bianchessi-Folli-Rapelli presso Archivio di Stato di Bergamo
Foto scattate dai laureandi Bianchessi-Folli-Rapelli presso Archivio di Stato di Bergamo
TECNICI NOMINATI DAL TRIBUNALE:
1925 1927
Il 30 marzo 1925 inizia il processo penale presso il Tribunale di Bergamo. Il 4 luglio 1927 furono pronunciate le sentenze: Virginio Viganò e l’Ing. Giovanni Battista Santangelo furono condannati a 3 anni e quattro mesi di detenzione, al pagamento delle spese processuali pari a 7500 lire ciascuno e al risarcimento delle parti civili. Luigi Vita fu assolto «per non aver commesso il fatto addebitatogli».
1928
In seguito alla sentenza, gli avvocati di Virginio Viganò e l’Ing. Giovanni Battista Santangelo portarono il caso dinanzi alla V Sezione Penale della Corte d’Appello di Milano. Il 21 giugno 1928 Virginio Viganò morì in seguito a un’emorragia cerebrale. Il 27 novembre 1928 l’Ing. Giovanni Battista Santangelo fu assolto dalla corte d’appello per «insufficienza di prove».
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Rilievo ed elaborazione dati In ambito civile è possibile svolgere il rilievo attraverso differenti metodologie. Il rilievo con rete topografica consente di ottenere dei risultati molto accurati a scapito di poche informazioni presenti nel dato acquisito. Viceversa, il rilievo aerofotogrammetrico restituisce un modello con minore accuratezza, ma il dato acquisito contiene un elevato numero di informazioni.
RILIEVO 3D LASER SCANNING
RILIEVO 3D AEROFOTOGRAMMETRICO
circa ± 0,5 mm
da circa ± 1,5 mm a ± 2,5 cm
MOLE DI DATI
DEFINIZIONE DELLA RETE TOPOGRAFICA
ACCURATEZZA
Modalità di rilievo nell’ambito civile
circa ± 5 cm
Le fasi del rilievo aerofotogrammetrico STRUMENTAZIONE
Punti di controllo a terra
1. Posizionamento dei Ground Control Point (GCP)
2. Acquisizione dei dati Global Navigation Satellite System (GNSS)
3. Definizione del piano di volo con Unmanned Aerial Vehicle (UAV)
4.
DIMENSIONE
1mx1m CASO STUDIO
Individuazione dei ground control point per la diga del Gleno.
Acquisizione di:
STRUMENTAZIONE
Sistema GNSS composto da: rover + controller CASO STUDIO
Target a terra cartacei
STRUMENTAZIONE
Drone con fotocamera RGB ad alta definizione
Caposaldi a coordinate note
Definizione del piano di volo e acquisizione fotogrammi georeferenziati.
CASO STUDIO
Creazione della nuvola di punti
Elaborazione dei dati acquisiti
Creazione della mesh con texture
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I modelli geometrici 3D Tecniche per la realizzazione del modello 3D RESTITUZIONE DA TAVOLE DI PROGETTO
1. Analisi critica degli elaborati grafici di progetto del 1920.
2. Creazione del modello 3D ideale.
RESTITUZIONE DA MODELLO FOTOGRAMMETRICO
1. Sovrapposizione del modello fotogrammetrico al modello 3D ideale.
2. Aggiornamento del modello 3D.
Restituzione da tavole di progetto
Analisi critica degli elaborati grafici di progetto del 1920 Foto scattata dai laureandi Bianchessi-Folli-Rapelli presso Archivio di Stato di Bergamo
MODELLO 3D DEL PROGETTO
MODELLO 3D DEI RUDERI
Creazione del modello 3D ideale
SOVRAPPOSIZIONE DEI MODELLI
Sovrapposizione del modello fotogrammetrico al modello 3D ideale
Creazione del modello 3D aggiornato
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Caratterizzazione del materiale Analisi preliminari Analisi visiva: lato valle
Analisi visiva: lato monte
Superficie porosa ed eterogenea 2. Presenza di nidi di ghiaia 3. Aggregati di varia pezzatura
Degrado superficiale 2. Materiale più omogeneo 3. Aggregati con pezzatura più piccola
1.
1.
Ricerca di documentazione dell’epoca:
PROVINO 1
PROVINO 2
cm 35 x 35 x 35
cm 13 x 13 x 13
• prescrizioni progettuali
RISULTATI DI LABORATORIO:
RISULTATI DI LABORATORIO:
• certificati di prova sui materiali
DENSITÀ:
PRESSIONE SPECIFICA
DENSITÀ:
PRESSIONE SPECIFICA
2300 kg/m3
4,5 MPa
2300 kg/m3
10,5 MPa
Certificato di prova del 1924 Digitized by Google
PROVINO 3
PROVINO 4
cm 40 x 40 x 45
cm 35 x 35 x 45
RISULTATI DI LABORATORIO:
RISULTATI DI LABORATORIO:
DENSITÀ:
DENSITÀ:
2150 kg/m3
PRESSIONE SPECIFICA
5,0 MPa
2300 kg/m3
PRESSIONE SPECIFICA
7,0 MPa
Indagini non distruttive locali Indagini locali condotte alla base dei piloni Le indagini sui materiali sono fondamentali nell’ambito della diagnostica strutturale per valutare lo stato di salute di opere di ingegneria civile ed edile.
Prove sclerometriche Stima delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo mediante l’utilizzo dell’indice di rimbalzo.
VALORI INDICATIVI SULLA QUALITÀ DEL CALCESTRUZZO:
Pessima qualità
20 < N < 25
Media qualità
25 < N < 50
Eccellente qualità
Prove sclerometriche Al termine delle prove sclerometriche svolte sui ruderi della diga del Gleno, si è riscontrato un materiale superficialmente eterogeneo, complessivamente di medio-bassa qualità:
N > 50
dove N è l’indice di rimbalzo medio
Area di prova alla base dei piloni
INDICE DI RIMBALZO MEDIO N ≃ 34 INDICE DI RIMBALZO MINIMO N ≃ 25
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Caratterizzazione del materiale Indagini non distruttive locali Prove ultrasoniche
Prove ultrasoniche
Stima delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo mediante la lettura della velocità di propagazione di micro impulsi ultrasonici tra una sonda trasmittente (T) e una ricevente (R).
T
T
R
T
Al termine delle prove ultrasoniche svolte sui ruderi della diga del Gleno, si è riscontrato un materiale poco omogeneo e in generale di bassa qualità (3-12 GPa):
R
R METODO INDIRETTO
DIREZIONE ORIZZONTALE
3 GPa
DIREZIONE VERTICALE
MODULO ELASTICO
12 GPa
Indagini globali Piano 3
L
3
0,0
10
Richiami teorici
Forme modali di un telaio a tre piani:
Oscillazione (forma modale) di un pendolo semplice:
Ogni sistema possiede delle caratteristiche dinamiche proprie.
Piano 2
Piano 1
m
Prove di identificazione dinamica
I° MODO
FREQUENZE PROPRIE
Per identificazione dinamica si intendono tutte quelle tecniche attraverso cui è possibile individuare le proprietà dinamiche di un sistema strutturale, quali:
SMORZAMENTI
II° MODO
III° MODO
FORME MODALI
1. Acquisizione delle vibrazioni ambientali (micro-tremori) sul coronamento della diga
2.
3. Analisi ed elaborazione dei segnali
Estrapolazione forme modali dei ruderi
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Caratterizzazione del materiale Indagini globali Calibrazione di un modello a elementi finiti sulla base dei risultati sperimentali ottenuti 1.
2. Realizzazione del modello 3D
Discretizzazione del modello 3D in elementi finiti
3. Estrapolazione di frequenze e forme modali dal modello numerico
MODO DI VIBRARE 1
MODO DI VIBRARE 2
4. Calibrazione del modello a elementi finiti confrontando forme modali numeriche e sperimentali MODO DI VIBRARE 1
MODO DI VIBRARE 2
La corrispondenza ottimale si trova variando il modulo elastico del calcestruzzo. È possibile definire il valore ottimale del modulo elastico del calcestruzzo (9 GPa) da utilizzare nelle analisi delle sollecitazioni:
3 GPa
MODULO ELASTICO
9 GPa
12 GPa
Il valore ottenuto è compatibile con i risultati delle indagini locali e denota una bassa rigidezza del materiale probabilmente dovuta a porosità diffusa (circa 6-7% da analisi densità).
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Analisi delle sollecitazioni Analisi degli elaborati di calcolo del 1924 Analisi di stabilità svolta mediante schemi statici semplificati.
Circolare dei lavori pubblici del 1904 Il calcestruzzo, impiegato solo a compressione, con tensione ammissibile pari a:
L’acciaio, impiegato principalmente a trazione, con tensione ammissibile pari a
σAMM = 2,5 MPa
σAMM = 120 MPa
(corrispondenti al peso di circa 25kg su un cm2)
(corrispondenti al peso di circa 120kg su un cm2)
Resistenza da prove 1924
Resistenza da prove 2023
4,5 MPa – 5,0 MPa – 7,0 MPa – 10,5 MPa
508 MPa – 520 MPa
Foto scattata dai laureandi Bianchessi-Folli-Rapelli presso Archivio di Stato di Bergamo
Determinazione di sforzi di compressione alla base dei piloni pari a σC = 1,2 MPa Non segnalati sforzi di trazione nella zona a monte.
Analisi delle sollecitazioni con modello 3D a elementi finiti 1.
2. Realizzazione del modello 3D
4. Analisi delle sollecitazioni (modello elastico) RISULTATI OTTENUTI SU MODELLO 3D SEMPLIFICATO
Compressione media alla base dei piloni σC-pilone = 1,69 MPa
Valutazione degli sforzi in relazione al calcestruzzo dell’epoca Effetti di lunga durata riducono la resistenza del calcestruzzo
Provini cubici sovrastimano la resistenza del calcestruzzo
Tratta da Rusch, H., J. ACI, Proc., Vol. 57, No. 1, 1960
3.
Generazione di modello a elementi finiti e applicazione carichi gravitazionali e idrostatici
Compressione massima elemento volta σC-volta = 1,05 MPa PRESENZA DI UNA ZONA A TRAZIONE LATO MONTE
Compressione massima σC-volta = 3,15 MPa Compressione massima σC-volta = 0,79 MPa
5 MPa
x
0,83
x
0,75
=
3,11 MPa
Lo sforzo di compressione limite determinato a 40 giorni dal riempimento dell’invaso è inferiore allo sforzo massimo da analisi a elementi finiti.
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