Salta al contenuto principale
Scritto da
  • 7 min
  • 50 fonti
Grandi Opere e Strutture

Come si costruiscono i piloni dei ponti in mare o in un fiume

Dal cassone pneumatico di Brooklyn alla tura con tappo di fondo: come si costruiscono i piloni di un ponte in acqua e perché il calcestruzzo non si dilava.

Cantiere all'alba dove si costruiscono i ponti: tura rettangolare di palancole d'acciaio in un fiume, benna mordente sospesa a una gru e pila in cemento armato

Una tura di palancole esclude l'acqua dal cantiere: il cassone di Brooklyn arrivò invece a 44,5 piedi sotto il fiume.

Il calcestruzzo non si scioglie in acqua, ma gettato dall'alto attraverso l'acqua libera si dilava e il risultato è inutilizzabile.[1] Per questo un pilone in mezzo a un fiume o al mare nasce in uno di tre modi: l'acqua si respinge con l'aria compressa di un cassone, si esclude con una tura di palancole o si sposta lentamente con un getto Tremie.[2] Le tecniche si combinano: da tempo la tura si sigilla con calcestruzzo gettato col Tremie, così da svuotarla e costruire il pilone all'asciutto.[3]
Profondità cassone Brooklyn
44,5 piedi
Circa 13,6 m sotto il fiume: lì Roebling giudicò il terreno abbastanza solido[35]
Slump del getto Tremie
6–8 pollici
Circa 15–20 cm: l'abbassamento al cono chiesto dalle specifiche Caltrans[28]
Varo del cassone
1870
Il 19 marzo, circa 2.700 t di cassa varate come una nave[33]

In questo articolo

Salta a una sezione

Respingere, escludere, spostare: tre modi di trattare l'acqua

Le soluzioni classiche si distinguono per ciò che fanno all'acqua. Si può respingerla, escluderla o spostarla.
  • Respingere: il cassone pneumatico è una cassa senza fondo, sigillata in alto e riempita d'aria compressa per tenere fuori acqua e fango.[4]
  • Escludere: la tura, o cofferdam, è una struttura di contenimento di norma temporanea che trattiene l'acqua e sostiene i lati dello scavo.[5]
  • Spostare: il getto con tubo Tremie fa colare il calcestruzzo in una massa già posata, che scaccia l'acqua senza turbolenza.[2]
Il filo comune è la spinta idrostatica. L'acqua preme dal basso e dai lati su qualsiasi cosa tenti di svuotarla, e le tre tecniche la bilanciano in modi diversi: con la pressione dell'aria, con il peso del calcestruzzo o rinunciando a svuotare. È la stessa logica che si ritrova in quasi tutte le grandi opere che toccano l'acqua, e in cantiere gli ingegneri le combinano. Su scala molto più grande, la barriera Oosterschelde è stata costruita posando 65 pilastri di calcestruzzo sul fondale del mare.

La tura di palancole e il tappo che regge la spinta dell'acqua

Una tura, in inglese cofferdam, è una scatola di palancole, per lo più d'acciaio, piantate attorno al punto di lavoro: trattiene l'acqua e sostiene i lati dello scavo finché la fondazione non è finita.[5][6] È il metodo con cui nasce la fondazione di molti ponti sull'acqua. Dentro la scatola, però, l'acqua c'è ancora.
Tura con tappo, tura senza tappo o pali trivellati? La scelta dipende da acqua e terreno. Il progettista prevede un tappo quando l'altezza d'acqua e il tipo di terreno lo rendono necessario, o quando costa meno che infiggere palancole abbastanza lunghe;[7] in alcuni terreni, a seconda della profondità dello scavo rispetto alla falda, la tura si svuota anche senza tappo.[8] In quel caso le palancole devono penetrare sotto il fondo scavo almeno la metà del carico idraulico, perché una penetrazione insufficiente può far collassare la tura quando la si pompa.[9] I pali trivellati vincono dove conta lo scalzamento: si spingono sotto la quota di scalzamento prevista, anche in terreni molto densi o roccia, e per questo sono sempre più comuni nei ponti sui fiumi.[10]
In una tura con tappo il cantiere procede in quest'ordine:
  1. Infissione delle palancole attorno all'area di lavoro, di solito in acciaio.
  2. Puntellamento con controventi interni, che tengono le pareti contro la spinta dell'acqua.
  3. Scavo sotto il livello dell'acqua con una benna mordente sommersa, controllando le quote con scandagli.[11]
  4. Getto del tappo di fondo (seal course): una lastra di calcestruzzo versata sott'acqua col Tremie, che impedisce l'ingresso dell'acqua dal basso.[12]
  5. Maturazione. Caltrans chiede almeno 5 giorni con calcestruzzo a 45 °F (circa 7 °C) o più prima di iniziare lo svuotamento,[13] mentre l'Iowa DOT non svuota finché le travette di prova non mostrano una resistenza a flessione di almeno 500 psi, circa 3,4 MPa.[14]
  6. Svuotamento della tura, solo dopo che il tappo ha fatto presa.[15]
  7. Costruzione del pilone all'asciutto.
Lo spessore del tappo è scelto perché il suo peso resista alla spinta idrostatica verso l'alto:[16] è il principio di Archimede portato in cantiere, e una tura più profonda chiede in genere un tappo più pesante. Il minimo Caltrans è di 2 piedi, circa 60 cm, con 1 piede in più nei fondi su pali per le irregolarità della superficie;[17] in teoria lo spessore deve bilanciare le forze di sottospinta e quelle che vi si oppongono, in pratica dipende da terreno, pali e livello dell'acqua.[18] Finita la fondazione, il tappo smette di servire: è un attrezzo di cantiere, senza funzione strutturale nell'opera finita.[19]
I guasti si somigliano da un cantiere all'altro. Cumuli di terra lasciati nello scavo hanno causato in passato rotture del tappo, con getti d'acqua attraverso la lastra.[20] Le palancole non sono stagne: piccole perdite ai giunti sono normali durante lo svuotamento e si tamponano versando segatura, cemento o altro materiale vicino alla falla.[21] Prima di fondare vanno poi rimossi dalla sommità del tappo schiuma, laitance e sedimenti, un lavoro lungo e costoso che si riduce curando il getto.[22]

Il getto Tremie: perché il cemento sott'acqua non si scioglie

Il calcestruzzo gettato col metodo Tremie non si scioglie perché non attraversa mai l'acqua libera. Nel getto ideale l'impasto nuovo scorre dentro il mucchio già posato e non è mai esposto direttamente all'acqua.[23] Il tubo serve a portarlo sul fondo e a lasciare che spinga via l'acqua con lentezza.
Un getto tipico parte con il tubo calato in posizione e un tappo che separa fisicamente l'acqua dal calcestruzzo;[24] tra i dispositivi possibili, un pallone di gomma gonfiato è il più pratico.[25] Da lì in poi la regola è una sola: l'estremità del tubo deve restare sempre immersa nel calcestruzzo già gettato.[26] Se l'immersione si perde, l'acqua entra nel tubo e il calcestruzzo versato dalla tramoggia cade attraverso l'acqua, cioè proprio ciò che si voleva evitare.[1] Ne risultano una forte segregazione degli inerti e il dilavamento di cemento e particelle fini;[27] il rimedio è non arrivarci, con il tubo sempre dentro il getto.
La miscela conta quanto la procedura. Le specifiche Caltrans chiedono uno slump, l'abbassamento al cono che misura la fluidità, tra 6 e 8 pollici, cioè circa 15–20 cm,[28] e almeno 675 libbre di materiale cementizio per iarda cubica, circa 400 kg al metro cubo.[29]
Il controllo in cantiere è più povero della ricetta: lo slump o la prova di flow table è comunemente l'unico test di accettazione del calcestruzzo fresco.[30] Per i pali trivellati di grande diametro, l'alternativa alle ture, esiste un manuale tecnico FHWA dedicato alla scelta e al progetto per le strutture di trasporto.[31]

Il ponte di Brooklyn: come si scavarono le fondazioni sotto il fiume

Le fondazioni del ponte di Brooklyn furono scavate dentro cassoni pneumatici. Per sostenere le torri in muratura servì una cassa di 168 per 102 piedi, circa 51 per 31 metri,[32] varata come una nave il 19 marzo 1870 con un peso di circa 2.700 tonnellate.[33]
Una volta sigillato tutt'attorno, il cassone si riempiva di aria compressa che espelleva l'acqua.[34] Gli operai scavavano sotto i bordi taglienti e il materiale risaliva con benne attraverso pozzi pieni d'acqua, in un cantiere di macchine pesanti ante litteram.
Sul lato di Brooklyn il cassone si fermò a 44,5 piedi (circa 13,6 metri) sotto il livello del fiume, dove l'ingegnere capo Washington Roebling giudicò il terreno denso abbastanza solido da reggere la torre.[35] Su quello di New York la discesa proseguì fino al 18 maggio 1872, a 78 piedi e 6 pollici (circa 24 metri), su sabbia e ghiaia dense.[36] Nessuno dei due arrivò alla roccia, che secondo i sondaggi stava a 106 piedi sul lato di Manhattan e a 98 su quello di Brooklyn:[37] Roebling preferì fermarsi dove il terreno bastava.
Cronologia
  1. 19 marzo 1870

    Varo del cassone di Brooklyn

    Circa 2.700 tonnellate di cassa varate come una nave.[33]

  2. 18 maggio 1872

    Il cassone di New York si ferma

    A 78 piedi e 6 pollici (circa 24 m), su sabbia e ghiaia dense.[36]

  3. 23 maggio 1883

    Apertura del ponte

    Con fuochi d'artificio, parate e discorsi.[39]

Raggiunto il fondo, gli operai (i sandhogs) uscivano dalla camera di compensazione e la cassa veniva riempita di calcestruzzo, formando la pila.[38] Il ponte aprì il 23 maggio 1883, con fuochi d'artificio, parate e discorsi.[39]

Malattia dei cassoni: il prezzo umano dell'aria compressa

La malattia dei cassoni è la malattia da decompressione, identificata per la prima volta proprio tra i lavoratori dei cassoni.[40] Il rischio nasce dal lavorare in condizioni estreme per ore a pressione maggiore dell'ambiente, e a Brooklyn i primi casi comparvero quando la discesa superò i 45 piedi, con alcuni attacchi mortali.[41]
Il capo del cantiere non fu risparmiato. Roebling ebbe un nuovo attacco durante il getto del calcestruzzo nel cassone di New York, e molti pensarono che non sarebbe sopravvissuto;[42] con sintomi neurologici, soprattutto al midollo spinale, diresse i lavori dal letto di malato.[43]
Il nome inglese bends, curve, ricorda la postura dei lavoratori colpiti, descritta come «doing the bend».[44] La cura vera arrivò dopo: intorno al 1889-90, nel cantiere di un tunnel sotto il fiume Hudson, fu tra le prime applicazioni di una camera medica con ricompressione, e dopo la sua installazione i decessi furono solo 2 su 120 casi.[45]
Sala macchine di una sottostazione della rete elettrica ad alta tensione con un compensatore sincrono e la cassa cilindrica del volano sottovuoto sull'asse

Da leggere · Energia e Reti Elettriche

Compensatori sincroni: i volani che salvano la rete elettrica

Oggi il lavoro in aria compressa segue tabelle. Quelle dell'OSHA coprono pressioni di lavoro da 0 a 50 psi, con tempi di esposizione e decompressione in più stadi,[46] e un esempio dell'appendice prevede un periodo di lavoro di 4 ore a 20 psi.[47] Oltre il limite di 165 piedi per l'aria compressa vanno respirate miscele diverse, per ridurre narcosi da azoto, tossicità dell'ossigeno e malattia da decompressione;[48] turni più lunghi a pressioni alte richiederebbero decompressioni più lunghe delle quattro ore sotto pressione che le regole sindacali americane consentono.[49]
Una tura svuotata, al contrario, tiene gli operai all'asciutto e a pressione ambiente. Il prezzo è un tappo di fondo abbastanza spesso da reggere la spinta dell'acqua, ed è il compromesso che separa i due mondi: il cassone paga con il corpo di chi scava, la tura con il calcestruzzo. Un terreno molle e soggetto a piene è un problema di fondazioni simile anche sotto la Statue of Unity in India, costruita su una collinetta del fiume Narmada.

Domande frequenti

Il cemento può solidificare sott'acqua senza sciogliersi?
Sì, se non cade attraverso l'acqua libera. Con il metodo Tremie il tubo resta immerso nel calcestruzzo già gettato e il nuovo impasto scorre dentro quella massa, spostando l'acqua lentamente. Serve una miscela fluida e ricca di cemento, con slump tra 6 e 8 pollici nelle specifiche Caltrans; se l'immersione del tubo si perde, il getto si dilava.

Cos'è un cofferdam nella costruzione dei ponti?
Un cofferdam, in italiano tura, è una struttura di contenimento di norma temporanea, fatta di palancole, che trattiene l'acqua e sostiene i lati dello scavo. Quando il tappo di fondo ha fatto presa, la tura si svuota e la fondazione si costruisce all'asciutto.

Come furono scavate le fondazioni del ponte di Brooklyn?
Con cassoni pneumatici. Ogni cassone veniva affondato mentre l'aria compressa teneva fuori l'acqua e gli operai scavavano sotto i bordi. Quello del lato di Brooklyn, di 168 per 102 piedi, si fermò a 44,5 piedi; quello del lato di New York, di 172 per 102 piedi, scese fino a 78 piedi e 6 pollici. Poi entrambi furono riempiti di calcestruzzo.

Come si costruiscono i ponti nell'acqua: cassone o tura?
Il cassone pneumatico respinge l'acqua con aria compressa e obbliga gli operai a lavorare in pressione; la tura la esclude con palancole e un tappo di fondo, e permette di lavorare all'asciutto a pressione ambiente. Il getto Tremie è la terza tecnica e serve anche a chiudere il fondo della tura.

A cosa serve il tappo di fondo di una tura?
Impedisce all'acqua di entrare dal fondo dello scavo ed è abbastanza spesso perché il suo peso resista alla spinta idrostatica verso l'alto. Non ha funzione strutturale nell'opera finita: è un attrezzo di cantiere.

Fonti

50 riferimenti Mostra
  1. FHWA, Tremie concrete (perdita di immersione) (si apre in una nuova scheda)

    «If this embedment is lost, water will enter the pipe and any concrete added at the hopper will fall through water»

  2. Caltrans, Foundation Manual (Tremie) (si apre in una nuova scheda)

    «Essentially the water is displaced by a slowly moving concrete mass.»

  3. FHWA, Tremie concrete (sigillo delle ture) (si apre in una nuova scheda)

    «In bridge construction tremie concrete has long been used to seal cofferdams so that they may be dewatered and the piers constructed in the dry.»

  4. Caisson (engineering), cassoni pneumatici (si apre in una nuova scheda)

    «pneumatic caissons (sometimes called pressurized caissons), which penetrate soft mud, are bottomless boxes sealed at the top and filled with compressed air to keep water and mud out at depth.»

  5. Caltrans, Foundation Manual (definizione di cofferdam) (si apre in una nuova scheda)

    «A cofferdam is a retaining structure, usually temporary in nature, which is used to retain water and support the sides of excavations where water is present.»

  6. Caltrans, Foundation Manual (palancole in acciaio) (si apre in una nuova scheda)

    «Steel sheet piling is most commonly used in the field.»

  7. MnDOT, Bridge Construction Manual (quando serve il tappo) (si apre in una nuova scheda)

    «When the depth of the water (head) and the character of the soil is such that the designer anticipates that a concrete seal is necessary, or that it will be less costly to provide the seal than to drive sheet piling to adequate depth, a seal will be shown in the plans.»

  8. Caltrans, Foundation Manual (svuotamento senza tappo) (si apre in una nuova scheda)

    «Depending on the types of soils and the depth of the excavation in relation to that of the water table, the cofferdam may be dewatered without constructing a seal course while still allowing construction of the footing in the dry.»

  9. MnDOT, Bridge Construction Manual (penetrazione delle palancole) (si apre in una nuova scheda)

    «Insufficient depth of sheeting creates conditions that could cause complete failure of the dam when it is pumped out.»

  10. MnDOT, Bridge Construction Manual (pali trivellati e scalzamento) (si apre in una nuova scheda)

    «Drilled shafts are becoming more common for river crossing bridges as they can be constructed to depths below predicted scour elevations, even in very dense soils or bedrock.»

  11. Caltrans, Foundation Manual (scavo con benna) (si apre in una nuova scheda)

    «Cofferdams in waterways are typically excavated with a submerged clamshell bucket, with the excavation elevations being checked by sounding.»

  12. Caltrans, Foundation Manual (tappo di fondo) (si apre in una nuova scheda)

    «A seal course is a concrete slab poured under tremie to block the intrusion of water into the bottom of an excavation.»

  13. Caltrans, Foundation Manual (maturazione minima) (si apre in una nuova scheda)

    «require a minimum cure period of 5 days (at concrete temperatures of 45° F or more) before dewatering may begin.»

  14. Iowa DOT, specifiche del tappo di fondo (si apre in una nuova scheda)

    «After placement of the seal course, do not dewater the cofferdam until test beams show a flexural strength of no less than 500 psi.»

  15. Caltrans, Foundation Manual (maturazione e svuotamento) (si apre in una nuova scheda)

    «The seal course is poured under tremie and allowed to cure. The cofferdam is dewatered after the seal course has cured.»

  16. Caltrans, Foundation Manual (spessore del tappo) (si apre in una nuova scheda)

    «The seal course is a concrete slab placed underwater by the tremie placement method and is constructed thick enough so that its weight is sufficient to resist uplift from hydrostatic forces.»

  17. Caltrans, Foundation Manual (spessore minimo del tappo) (si apre in una nuova scheda)

    «Minimum thickness of seal course concrete is 2 feet.»

  18. MnDOT, Bridge Construction Manual (bilancio della sottospinta) (si apre in una nuova scheda)

    «Theoretically, the thickness of a foundation seal must be such as to balance the uplift forces and the forces counteracting uplift.»

  19. Caltrans, Foundation Manual (tappo senza funzione strutturale) (si apre in una nuova scheda)

    «A seal course is a construction tool and in terms of importance to the designed structure it has no structural significance.»

  20. MnDOT, Bridge Construction Manual (rotture del tappo) (si apre in una nuova scheda)

    «Some failures have occurred in the past due to mounds of dirt left in the excavation which have resulted in water spouts through the seal.»

  21. Caltrans, Foundation Manual (perdite ai giunti) (si apre in una nuova scheda)

    «Sheet pilings are not watertight and minor leaks can be expected as the cofferdam is dewatered.»

  22. Caltrans, Foundation Manual (pulizia del tappo) (si apre in una nuova scheda)

    «All scum, laitance, and sediment must also be removed from the top of the seal.»

  23. FHWA, Tremie concrete (teoria del getto) (si apre in una nuova scheda)

    «In theory, subsequent concrete flows into this mound and is never exposed directly to the water.»

  24. Caltrans, Foundation Manual (avvio del getto) (si apre in una nuova scheda)

    «A typical tremie operation begins with the tremie pipe being lowered into position with a plug or other device fitted into the pipe as a physical barrier between the water and concrete.»

  25. Caltrans, Foundation Manual (pallone di gomma) (si apre in una nuova scheda)

    «Of the various devices available to plug the end of the tremie, an inflated rubber ball is about the most practical.»

  26. Caltrans, Foundation Manual (tubo immerso) (si apre in una nuova scheda)

    «To accomplish this, it is imperative that the discharge end of the tremie be kept embedded in the concrete.»

  27. FHWA, Tremie concrete (segregazione e dilavamento) (si apre in una nuova scheda)

    «resulting in severe segregation of aggregates and the wash-ing out of cement and other fine particles»

  28. Caltrans, Foundation Manual (slump) (si apre in una nuova scheda)

    «Tremie concrete must have a slump of between 6 and 8 inches»

  29. Caltrans, Foundation Manual (dosaggio di cemento) (si apre in una nuova scheda)

    «Concrete must contain a minimum of 675 pounds of cementitious material per cubic yard»

  30. The Driller, DFI/EFFC Tremie concrete best practices (si apre in una nuova scheda)

    «Slump or flow table tests are commonly used as the only acceptance test for fresh concrete.»

  31. FHWA, manuale GEC 10 sui pali trivellati (si apre in una nuova scheda)

    «This manual is intended to provide a technical resource for engineers responsible for the selection and design of drilled shaft foundations for transportation structures.»

  32. Structure magazine, Brooklyn Bridge Part 2 (dimensioni del cassone) (si apre in una nuova scheda)

    «To support the huge masonry towers and twin Gothic arch passageways his father had designed, a caisson 168 feet by 102 feet was required.»

  33. Structure magazine, Brooklyn Bridge Part 2 (varo) (si apre in una nuova scheda)

    «The 6,000,000-pound caisson was launched on March 19, 1870.»

  34. Structure magazine, Brooklyn Bridge Part 2 (aria compressa) (si apre in una nuova scheda)

    «When it was sealed all around, compressed air was pumped into the chamber, expelling the water.»

  35. Structure magazine, Brooklyn Bridge Part 2 (lato Brooklyn) (si apre in una nuova scheda)

    «At a depth of 44½ feet below the river surface, Roebling determined the dense, rocky soil was firm enough to rest his tower on.»

  36. Structure magazine, Brooklyn Bridge Part 2 (lato New York) (si apre in una nuova scheda)

    «On May 18, 1872, at a depth of 78 feet 6 inches, Roebling decided the dense sand and gravel would support his tower.»

  37. Structure magazine, Brooklyn Bridge Part 2 (sondaggi) (si apre in una nuova scheda)

    «Based on borings, rock was 106 feet deep on the Manhattan side and 98 feet on the Brooklyn side.»

  38. Caisson (engineering), riempimento del cassone (si apre in una nuova scheda)

    «When the caisson hits bedrock, the sandhogs exit through the airlock and fill the box with concrete, forming a solid foundation pier.»

  39. Structure magazine, Brooklyn Bridge Part 2 (apertura) (si apre in una nuova scheda)

    «On May 23, the bridge was opened with a grand celebration of fireworks, parades, and speeches.»

  40. Caisson (engineering), malattia dei cassoni (si apre in una nuova scheda)

    «a condition first identified in caisson workers, and originally named "caisson disease" in recognition of the occupational hazard.»

  41. Structure magazine, Brooklyn Bridge Part 2 (casi oltre 45 piedi) (si apre in una nuova scheda)

    «As he went deeper, past 45 feet, men started suffering from what became known as caisson disease, the Bends, with some fatal attacks (estimated at five deaths).»

  42. Structure magazine, Brooklyn Bridge Part 2 (attacco di Roebling) (si apre in una nuova scheda)

    «While it was being placed, Roebling suffered another case of the “bends,” and many thought he might die.»

  43. InDEPTH, Caisson and the Brooklyn Bridge (Roebling malato) (si apre in una nuova scheda)

    «The chief engineer, Roebling, developed neurological decompression sickness (mainly spinal cord symptoms). He directed the project from his sickbed.»

  44. InDEPTH, Caisson and the Brooklyn Bridge (doing the bend) (si apre in una nuova scheda)

    «“Doing the bend” was used to describe the posture of the caisson workers who suffered from decompression sickness.»

  45. InDEPTH, Caisson and the Brooklyn Bridge (camera medica) (si apre in una nuova scheda)

    «Following the installation of the medical lock only 2 deaths occurred in the subsequent 120 cases.»

  46. OSHA, 1926 Subpart S Appendice A (tabelle di decompressione) (si apre in una nuova scheda)

    «The decompression tables are computed for working chamber pressures from 0 to 14 pounds, and from 14 to 50 pounds per square inch gauge inclusive by 2-pound increments»

  47. OSHA, 1926 Subpart S Appendice A (periodo di lavoro) (si apre in una nuova scheda)

    «Example No. 1: 4 hours working period at 20»

  48. DAN, Caissons, compressed air work and deep tunneling (limite di 165 piedi) (si apre in una nuova scheda)

    «When the 165-foot pressure limit for compressed air is exceeded, alternative gas mixes must be breathed to reduce the incidence of nitrogen narcosis, oxygen toxicity and DCS.»

  49. DAN, Caissons, compressed air work and deep tunneling (turni sotto pressione) (si apre in una nuova scheda)

    «increased work time at higher pressures would require decompression times longer than the four hours under pressure permitted by existing union rules.»

  50. InDEPTH, Caisson and the Brooklyn Bridge (bilancio dei casi) (si apre in una nuova scheda)

    «He described 110 cases of decompression sickness which he considered serious enough to warrant his attention (there were 119 cases in total). Fourteen of these died.»