DEFINIZIONE DEL VENTO DI PROGETTO
Fin dai primi studi di fattibilità, l’analisi di una soluzione aerea per l’attraversamento dello Stretto di Messina ha posto il vento come aspetto preminente di studio nelle fasi di progettazione, di realizzazione e di esercizio dell’opera. Pertanto, lo studio dei parametri meteorologici che formano il quadro dell’ambiente atmosferico nello Stretto di Messina, tra cui quello dei fenomeni ventosi, è stato fin da subito oggetto di approfondito interesse tecnico e scientifico, anche in virtù della particolarità dell’orografia del sito.
La zona dello Stretto di Messina è infatti caratterizzata da una specifica configurazione orografica, che la vede compresa tra il massiccio montuoso dell’Aspromonte calabro e l’estremo lembo nord-orientale della catena dei monti Peloritani, che esercitano una marcata influenza sullo sviluppo delle condizioni meteo locali. La catena dei Peloritani funziona da “schermo” per le correnti provenienti da nord/nord-ovest, effetto che si attenua fino ad annullarsi via via che ci si avvicina a Capo Peloro. Stesso discorso vale per i venti provenienti da est, che risultano schermati dal massiccio dell’Aspromonte. L’esame delle caratteristiche climatologiche della zona dello Stretto ha evidenziato la tendenza dei venti meridionali ad aumentare considerevolmente di velocità verso la parte settentrionale dello Stretto di Messina, in virtù del graduale restringimento della costa da sud verso nord, che accentua l’effetto “imbuto”.
L’iter metodologico seguito nello studio dei parametri meteorologici che formano il quadro dell’ambiente atmosferico, è partito dall’individuazione delle stazioni meteorologiche presenti in un’ampia area comprendente lo Stretto di Messina per raccogliere tutti i dati disponibili, analizzarli e valutarne l’affidabilità. Alle misure delle stazioni individuate si sono poi aggiunte quelle effettuate dal Centro Meteorologico approntato nel 1985 da Stretto di Messina SpA presso il pilone Enel a Capo Peloro (località Torre Faro – figura 1), in prossimità della localizzazione della torre lato Sicilia, e rimasto in attività fino al 2013.
Il pilone è stato strumentato a diverse altezze fino a 232 m s.l.m. (figure 2A e 2B), in modo da fornire rilevazioni in termini di velocità e direzione del vento a diverse quote utili per la progettazione dell’opera.
Facendo riferimento ai 4 quadranti, le misurazioni effettuate hanno mostrato che le velocità maggiori sono state rilevate nel 2° quadrante (SE-Scirocco) e nel 4° (NW-Maestrale), e le velocità minori nel 1° quadrante (NE-Tramontana-Grecale) e nel 3° (SW-Libeccio). Lo Scirocco non è il vento più frequente, ma è il più forte ed il più costante; la direzione di provenienza -SE- viene modificata dall’orografia dello Stretto di Messina che lo devia verso SW. Il Maestrale risulta più turbolento e raggiunge anch’esso velocità elevate. Nella figura 3 sono riportate graficamente due situazioni tipiche ricorrenti, rispettivamente di Scirocco e di Maestrale.
Le misure effettuate dal Centro Meteorologico di Torre Faro, per un periodo di quasi 30 anni, hanno permesso il monitoraggio diretto dei fenomeni ventosi nel sito di interesse, mostrando come, durante tutto il periodo di monitoraggio, non sia mai stato misurato alla quota dell’impalcato (70 m s.l.m.) un vento con velocità media superiore a 30 m/s (108 km/ora). Tali dati, insieme alle misure provenienti dalle tre stazioni meteorologiche di Catania aeroporto, Messina centro e Reggio Calabria aeroporto, hanno costituito un importante strumento per la definizione del vento di progetto agente sull’opera. Gli studi posti alla base della definizione di tale azione sono stati condotti mediante analisi statistiche di velocità e direzione del vento (figura 4), elaborazione e analisi delle storie temporali della turbolenza, nonché anche attraverso lo sviluppo di un modello digitale dell’orografia, della copertura e della scabrezza del suolo nell’area dello Stretto (figura 5). I valori di progetto della distribuzione spaziale della velocità e della turbolenza del vento, definiti per i quattro periodi di ritorno associati ai diversi stati limite strutturali, fanno parte delle specifiche progettuali del ponte sospeso poste a base della progettazione definitiva.
IL RUOLO DELL’IMPALCATO
Nella progettazione dei ponti sospesi l’azione del vento sulla struttura e la sua interazione con essa costituiscono un aspetto condizionante nella configurazione e nel dimensionamento dell’opera. Per questa tipologia di opere, il prevenire possibili fenomeni di instabilità dinamica indotti dal vento nella campata sospesa richiede l’adozione di precise strategie progettuali che assicurino la massima stabilità aerodinamica di un sistema con proprietà dinamiche potenzialmente sfavorevoli. Ciò è ancor più evidente per i ponti sospesi di grande luce, come il ponte sullo Stretto di Messina, per i quali l’incremento dimensionale della campata sospesa ha reso necessario lo sviluppo di nuove soluzioni progettuali rispetto a quanto adottato per i ponti sospesi già realizzati. In questo ambito, l’elemento strutturale nei confronti del quale risulta determinante adottare una corretta strategia progettuale è l’impalcato.
Da un punto di vista statico, l’azione diretta del vento sull’impalcato viene riportata alla sommità delle torri attraverso il sistema di sospensione, producendo su di esse un’elevata sollecitazione che influisce fortemente sul progetto delle torri stesse e quindi dell’intero ponte. Dal punto di vista dinamico, l’azione del vento sull’impalcato può dare luogo a fenomeni di instabilità a un grado di libertà o a due gradi di libertà (instabilità da flutter) che coinvolgono l’impalcato nel suo complesso e che sono potenzialmente distruttivi. Può inoltre indurre altri fenomeni, buffeting e vortex shedding, maggiormente localizzati ma che possono incidere sul comfort di marcia e sulla fatica strutturale.
Si comprende bene come l’adozione di una efficace strategia progettuale, che tenga conto della tipologia, della forma e del peso dell’impalcato, in rapporto anche alle caratteristiche dimensionali del ponte, influisca in modo determinante sul dimensionamento dell’opera e sulla sua risposta nei confronti dei possibili fenomeni di instabilità aerodinamica che possono insorgere. Questo aspetto ha portato a una evoluzione delle tipologie di impalcato finora adottate nella realizzazione dei ponti sospesi, identificate come impalcati sospesi di prima e di seconda generazione.
I primi (figure 6A e 6B) sono caratterizzati dalla tipologia a trave reticolare, di dimensioni sezionali importanti, che contribuisce significativamente alla rigidezza torsionale dell’intero ponte; la trave reticolare è caratterizzata però da una soggezione al vento elevata e pertanto, al crescere della luce della campata sospesa, il suo impiego diventa via via meno conveniente. La tipologia di impalcato a trave reticolare è stata adottata con successo a partire dai primi ponti di fine ‘800, che avevano luci contenute, fino al ponte sospeso sull’Akashi di fine anni ’90, che presenta una campata centrale sospesa di circa 2.000 m.
Gli impalcati sospesi di seconda generazione sono invece rappresentati da un impalcato singolo a cassone di forma aerodinamica (figure 7A e 7B), con una sezione avente un profilo alare. Questa tipologia deriva dall’esigenza di migliorare le prestazioni aerodinamiche dell’impalcato, contenendone contestualmente il peso proprio, ed è stata adottata con successo per ponti di luci fino a 1.600 m circa.
L’IMPALCATO “MESSINA TYPE”: ASPETTI AERODINAMICI
Per il ponte sullo Stretto di Messina, a causa della lunghezza della campata sospesa, si è reso necessario trovare una soluzione di impalcato alternativa rispetto alle due tipologie adottate fino ad allora. Occorreva infatti una struttura che potesse coniugare in sé caratteristiche di leggerezza, per contenere il dimensionamento dei cavi principali, e di aerodinamicità, così da limitare quanto più possibile la spinta del vento sull’impalcato e quindi l’entità dell’azione trasmessa alla sommità delle torri e, al tempo stesso, assicurare all’impalcato caratteristiche di stabilità aerodinamica, con particolare riferimento al flutter.
Pertanto, a partire dalla soluzione aerodinamica di seconda generazione, è stata studiata e sviluppata una soluzione di impalcato ad hoc, conosciuta come terza generazione degli impalcati sospesi, che riunisce in sé la massima stabilità aerodinamica – in particolare nei confronti del flutter -, la massima leggerezza e la minima resistenza al vento così da contenere il più possibile le azioni orizzontali e verticali sulle torri. Nelle figure 8 e 9 sono riportate le due sezioni dell’impalcato sviluppate negli studi di fattibilità del 1986 e per il progetto del 1990 mentre nella figura 10 è riportata la sezione dell’impalcato del progetto preliminare del 2002, a testimonianza dell’evoluzione che la soluzione ha subito nel corso degli anni.
La soluzione adottata nella progettazione definitiva conferma l’impostazione della soluzione del progetto preliminare, ottimizzandone solo alcuni aspetti. La tipologia progettata (figura 11) prevede un impalcato composto da un graticcio strutturale portante, formato da cassoni longitudinali e trasversali.
I cassoni trasversali, che sorreggono quelli longitudinali, sono sospesi ai cavi portanti attraverso i pendini posti ad interasse di 30 m e costituiscono le strutture principali dell’impalcato. I cassoni posti in direzione longitudinale sono tre: due stradali, posti alle estremità dell’impalcato e uno ferroviario, posto in posizione centrale. La disposizione dei cassoni è stata ottimizzata per introdurre ampie zone trasparenti al flusso d’aria in posizione tale da ridurre gli effetti del vento.
La tipologia di impalcato a cassoni multipli distinti, oltre a essere particolarmente prestante sotto il profilo aerodinamico, è caratterizzata da un ridotto peso strutturale ed una buona rigidezza rotazionale, stante la notevole distanza fra le due coppie di cavi portanti.
Gli studi effettuati nel corso di decenni hanno ottimizzato la soluzione scelta per l’impalcato, affinando le geometrie dei cassoni e perfezionando le caratteristiche delle barriere frangivento previste alle estremità dell’impalcato, migliorando ulteriormente le prestazioni aerodinamiche dell’impalcato e la capacità di proteggere il traffico ferroviario e veicolare dagli effetti del vento. Il lungo lavoro di ottimizzazione è stato svolto mediante numerose prove sperimentali su modelli in scala dell’impalcato, condotte nelle più importanti gallerie del vento del mondo, che ne hanno confermato l’eccellente comportamento nei confronti del vento, mostrando sia la capacità di mantenere attivo l’esercizio veicolare e ferroviario per elevati valori del vento sia una stabilità aerodinamica nei confronti del flutter per velocità medie del vento ben superiori al valore minimo di 75 m/s previsto dalle specifiche progettuali poste alla base della progettazione definitiva.
La tipologia di impalcato progettata per il ponte sullo Stretto di Messina con profilo alare a cassoni multipli distinti, nota come “Messina Style”, è stata già adottata con successo per la realizzazione di altri ponti sospesi nel mondo.
CONCLUSIONI
Gli studi e la progettazione del ponte sullo Stretto di Messina si sono sviluppati per fasi a partire dagli ultimi decenni del secolo scorso. Per quanto riguarda la componente “vento”, essi hanno seguito, non in ordine strettamente cronologico, i seguenti step:
- la definizione di una innovativa sezione trasversale di impalcato, capace di coniugare la leggerezza con le prestazioni aerodinamiche;
- la registrazione trentennale dei venti effettivamente presenti nell’area dello Stretto;
- la definizione analitica della distribuzione spaziale e della turbolenza del “vento di progetto”;
- l’ottimizzazione della sezione trasversale di impalcato attraverso un massiccio impiego di prove in galleria del vento;
- gli studi analitici e sperimentali relativi alla percorribilità ferroviaria e veicolare, particolarmente soggette alle azioni del vento;
- le verifiche analitiche delle capacità strutturali e funzionali dell’opera sottoposta all’azione del vento.
Il progetto definitivo dell’opera sarà portato a un livello di maggior dettaglio, anche in termini di studi e di verifiche, grazie al progetto esecutivo di prossima attivazione. Durante la fase di esercizio dell’infrastruttura sarà effettuato il monitoraggio in continuo del vento e della risposta strutturale dell’opera a questa azione.
Il lungo percorso di studi sul vento e sull’impalcato del ponte sullo Stretto di Messina dimostra come una progettazione rigorosa, fondata su dati reali e sperimentazioni avanzate, sia indispensabile per garantire sicurezza e affidabilità, come solo una progettazione evoluta e multidisciplinare può fare, confermando che la progettazione resta il fulcro tecnico e scientifico attorno al quale ruota l’intera concezione dell’opera.
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