Il 5 aprile 1987, durante una piena primaverile dello Schoharie Creek, la pila 3 del ponte della New York State Thruway ha perso appoggio per scalzamento e due campate sono cadute nel fiume, seguite novanta minuti dopo dalla pila 2 e da una terza campata. Sono morte dieci persone. Negli anni precedenti il rinterro attorno alla pila 3 si era eroso poco alla volta ed era stato sostituito da depositi del fiume, quindi la fondazione perdeva protezione mentre l'alveo sembrava invariato. Di conseguenza, nel 1988 la FHWA ha imposto di valutare la vulnerabilità allo scalzamento di tutti i ponti su corsi d'acqua.

Lo scalzamento è ancora la prima causa di crollo dei ponti negli Stati Uniti. Wardhana e Hadipriono hanno studiato più di 500 crolli avvenuti tra il 1989 e il 2000 e ne hanno attribuito quasi il 53% a piene e scalzamento. Eppure il monitoraggio dello scalzamento si basa ancora soprattutto sull'ispezione subacquea e sul sopralluogo dopo la piena, e nessuno dei due avviene mentre il fiume è al colmo.

Lo scalzamento dopo la piena

Tra gli ingegneri idraulici è noto che le buche di scalzamento si riempiono. Durante la piena l'acqua asporta materiale attorno alla pila, e quando la corrente rallenta deposita di nuovo sedimenti nella buca. Quindi l'alveo che un ispettore misura dopo la piena non è l'alveo che sosteneva la pila al colmo.

Tra il 1996 e il 1998 l'USGS ha usato il georadar su alcuni ponti del New Hampshire prima e dopo le piene, e ha trovato buche di scalzamento riempite in sette sezioni, con riempimenti da meno di 30 cm fino a circa 1,2 m. Gli autori hanno osservato che un'asta d'acciaio e un martello, strumenti ancora comuni dopo le piene, rilevavano a fatica il riempimento su alvei ciottolosi o in acque profonde.

Una buca riempita non significa che la fondazione abbia recuperato il suo appoggio, ma che le tracce dell'appoggio perso sono state coperte. Il materiale di riempimento, sciolto, non porta carico come l'alveo originale, e viene asportato alla piena successiva. Nemmeno le ispezioni subacquee ordinarie sono più vicine all'evento, perché secondo gli NBIS i sommozzatori ispezionano gli elementi sommersi a intervalli fino a 60 mesi.

Ponti scour critical e piani d'azione

Secondo gli NBIS, i gestori devono individuare i ponti scour critical, cioè vulnerabili allo scalzamento, codificati da 0 a 3 nell'Item 113 dell'NBI (U per le fondazioni sconosciute, che di solito seguono lo stesso processo), e preparare un piano d'azione per ciascuno. In molti Stati la soglia del piano è un'allerta di piena del National Weather Service o un livello idrometrico a un idrometro vicino. A quel punto gli ispettori vanno sul ponte, cercano detriti, cedimenti e movimenti visibili, e lo chiudono se si verificano le condizioni previste dal piano.

Questo funziona per i ponti già noti come a rischio, ma i crolli idraulici avvengono anche altrove. Un'analisi retrospettiva pubblicata sull'ASCE Journal of Performance of Constructed Facilities ha esaminato 239 crolli idraulici, il 55% di tutti i crolli del suo campione. Tra i ponti crollati con una valutazione dello scalzamento, solo il 17% era classificato scour critical prima del crollo, mentre l'83% era classificato stabile. Gli autori hanno anche rilevato che il giudizio sulle condizioni della sottostruttura era un indicatore di crollo migliore della classificazione scour critical.

Quindi l'elenco dei ponti scour critical è una vulnerabilità calcolata, basata su modelli idraulici e su ipotesi sulle fondazioni. Durante una piena, la decisione di tenere aperto un ponte dipende da un livello del fiume e da ciò che un ispettore riesce a vedere dalla sponda, cioè molto poco di una fondazione sommersa.

La risposta strutturale durante la piena

Per fortuna gli effetti dello scalzamento si possono misurare, perché quando lo scalzamento toglie appoggio a una fondazione la pila si muove. Su una fondazione superficiale come quella dello Schoharie Creek, la perdita di appoggio si manifesta con cedimento e rotazione della pila, spesso verso il rostro di monte, dove lo scalzamento localizzato è più profondo. Un inclinometro sul pulvino misura questa rotazione in continuo da sopra il pelo dell'acqua, con una risoluzione inferiore ai milliradianti.

Le pile ruotano anche per altri motivi, perché la temperatura cambia la lunghezza dell'impalcato e muove gli appoggi, quindi ogni pila ha una sua fascia di rotazione giornaliera e stagionale. Per distinguere le due cose, gli ingegneri leggono l'inclinazione insieme al livello del fiume. La rotazione termica segue il ciclo delle temperature e rientra, mentre la rotazione da perdita di appoggio compare come un gradino durante la piena e non rientra quando l'acqua scende. Il livello idrometrico di un idrometro USGS o di un sensore di livello già presente in sito si può portare in MyMove tramite l'integrazione di sensori di terze parti, così gli ingegneri possono confrontare le due serie sulla stessa linea temporale.

Le vibrazioni sono un altro canale di monitoraggio, perché lo scalzamento riduce la rigidezza del terreno attorno alla fondazione, quindi le frequenze naturali della pila diminuiscono, e gli accelerometri con il Modal Analysis Tool possono seguirle a partire dal traffico ordinario. L'effetto è chiaro negli studi di laboratorio e numerici, meno sul campo. Su un ponte monitorato durante un intervento che ha rialzato l'alveo, il modello prevedeva una variazione del 3-5% delle prime due frequenze, ma le frequenze misurate in sito variavano molto, anche perché livello dell'acqua e temperatura cambiano le frequenze. Una variazione di frequenza durante una piena, da sola, è un indizio debole.

Con i dati strutturali, il gestore può aggiungere al piano d'azione una seconda soglia basata sul ponte stesso, cioè una soglia di inclinazione definita a partire dalla fascia di rotazione registrata prima della piena, con allarmi inviati alla squadra responsabile delle chiusure. Dopo la piena, gli ispettori possono vedere dalla rotazione residua di ogni pila quale fondazione ha perso appoggio, e i sommozzatori possono partire da quella pila.

Domande frequenti

I sensori sul ponte possono misurare la profondità dello scalzamento?

No. Inclinometri e accelerometri misurano la risposta della struttura, mentre per la profondità dello scalzamento servono sonar, sonde di scalzamento o sommozzatori. La rotazione della pila compare solo quando la fondazione sta già perdendo appoggio, quindi gli ingegneri possono usarla come soglia di chiusura e come guida per l'ispezione dopo la piena, non come previsione.

Quali ponti scour critical conviene strumentare per primi?

I ponti su fondazioni superficiali in alvei erodibili e i ponti con fondazioni sconosciute. Su questi una perdita di appoggio si traduce subito in rotazione della pila, mentre le fondazioni su pali hanno più riserva e ruotano solo più vicino al collasso.

I dati continui sostituiscono l'ispezione subacquea dopo la piena?

No. Dai dati gli ingegneri sanno quali pile si sono mosse e di quanto, e durante l'ispezione subacquea i sommozzatori verificano la profondità dello scalzamento e le condizioni della fondazione.