Il Ponte sullo Stretto e la sua capacità di resistere all’azione del vento tornano al centro dell’attenzione grazie a un interessante approfondimento tecnico pubblicato sulla pagina Facebook “Strait of Messina Bridge” dell’ingegnere Giuseppe Palamara. Il tema riguarda uno degli aspetti più importanti della progettazione dei grandi ponti sospesi: le prove aerodinamiche in galleria del vento e le dimensioni dei modelli utilizzati per simulare il comportamento delle strutture reali.
Quanto deve essere grande un modello per riprodurre fedelmente un ponte con una campata centrale di 3.300 metri? E come è possibile studiare il comportamento di un’infrastruttura lunga diversi chilometri attraverso una riproduzione di poco più di tredici metri?. Palamara affronta questi interrogativi mettendo a confronto il progetto del Ponte di Messina con alcuni dei ponti sospesi più importanti del mondo, dall’Akashi Kaikyō in Giappone al Great Belt in Danimarca, fino al Tsing Ma di Hong Kong. L’obiettivo è spiegare perché, nell’ingegneria strutturale, non è soltanto la dimensione fisica del modello a determinarne l’utilità scientifica, ma soprattutto la capacità di riprodurre correttamente le proprietà dinamiche del ponte.
Ponte sullo Stretto, cosa sono i modelli utilizzati nella galleria del vento
Nel suo intervento, pubblicato con il titolo “Il Ponte di Messina e la galleria del vento: quanto è grande un modellino?”, l’ingegnere Palamara parte da una distinzione fondamentale: non tutti i modelli utilizzati nelle prove aerodinamiche sono uguali. Esistono infatti modelli di sezione dell’impalcato, modelli parziali e modelli aeroelastici completi, nei quali vengono riprodotti in scala gli elementi fondamentali del ponte, dall’impalcato alle torri, fino ai cavi portanti e ai pendini.
I modelli di sezione permettono di studiare il comportamento aerodinamico di una porzione rappresentativa dell’impalcato, mentre quelli aeroelastici completi consentono di analizzare la risposta dinamica dell’intera struttura, tenendo conto dell’interazione tra le sue diverse componenti. Questa distinzione è particolarmente importante per il Ponte sullo Stretto, la cui campata principale prevista di 3.300 metri richiede uno studio approfondito delle sollecitazioni prodotte dal vento.
Dal Giappone alla Danimarca: i grandi ponti sospesi e i test aerodinamici
Per rendere più comprensibile il funzionamento di queste prove, Palamara richiama tre importanti esperienze internazionali. Il primo esempio è il ponte Akashi Kaikyō, in Giappone, caratterizzato da una campata principale di 1.991 metri. Come ricordato nel post, per studiarne il comportamento venne utilizzato un modello aeroelastico completo in scala 1:100, lungo complessivamente circa 40 metri. Il secondo caso riguarda il Great Belt, in Danimarca, con una campata principale di 1.624 metri. Per questa infrastruttura sono state condotte differenti campagne sperimentali, comprese prove su modelli di sezione in scala 1:80.
Il terzo esempio è il Tsing Ma Bridge di Hong Kong, con una campata principale di 1.377 metri, per il quale sono stati impiegati sia modelli di sezione sia un modello aeroelastico completo in scala 1:400. Il confronto mette in evidenza come le tecniche sperimentali possano variare in funzione delle caratteristiche del ponte e degli aspetti strutturali che devono essere approfonditi.
Ponte di Messina, il modello aeroelastico in scala 1:250 e la campata di 13,2 metri
Arrivando al progetto del Ponte sullo Stretto, Palamara evidenzia il dato centrale del suo approfondimento: per una campata principale prevista di 3.300 metri sono state eseguite diverse prove aerodinamiche, comprese quelle su modelli di sezione e su un modello aeroelastico completo in scala 1:250. A questa scala, la campata centrale è rappresentata da una lunghezza di 13,2 metri. La presenza di questo tipo di modello è documentata anche da uno studio scientifico pubblicato nel 1995 sul Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, che descrive le prove eseguite nella galleria del vento Martin Jensen, presso il DMI, per analizzare il comportamento aerodinamico della struttura.
Il calcolo delle dimensioni è semplice. Dividendo i 3.300 metri della campata reale per il fattore di scala utilizzato, si ottengono le rispettive lunghezze: 3,30 metri in scala 1:1.000, 6,60 metri in scala 1:500, 11 metri in scala 1:300 e 13,20 metri in scala 1:250. Di conseguenza, un modello in scala 1:300 non rappresenterebbe una campata lunga 100 metri, ma una campata di appena 11 metri. È importante precisare che i 13,2 metri si riferiscono alla riproduzione della campata principale, non necessariamente alla lunghezza complessiva del modello, che può comprendere ulteriori elementi strutturali.
Come si studia la resistenza al vento di un ponte lungo 3,3 chilometri
L’aspetto più interessante dell’analisi riguarda il fatto che un modello aeroelastico non deve limitarsi a riprodurre l’aspetto esteriore del ponte. Per ottenere risultati scientificamente significativi occorre rispettare specifiche leggi di similitudine fisica, riproducendo in modo appropriato le caratteristiche che influenzano il comportamento dinamico della struttura. Palamara richiama in particolare le masse, le rigidezze, le frequenze proprie di oscillazione, gli smorzamenti e il comportamento dinamico.
Questi elementi consentono agli ingegneri di osservare come la struttura possa rispondere alle sollecitazioni esercitate dal vento e di studiare fenomeni particolarmente importanti per i grandi ponti sospesi. Tra questi figurano il flutter, un fenomeno di instabilità aeroelastica che può produrre oscillazioni crescenti; il buffeting, legato alla risposta della struttura alla turbolenza atmosferica; e le oscillazioni determinate dalle raffiche di vento. Le prove sperimentali devono inoltre essere integrate con analisi numeriche, verificando le condizioni di similitudine e i limiti delle simulazioni in scala. Si tratta di un approccio descritto anche in uno studio scientifico del 2013 specificamente dedicato alle metodologie utilizzate per il Ponte di Messina.
Le prove nella galleria del vento e gli studi sul Ponte tra Calabria e Sicilia
Il tema della stabilità aerodinamica del Ponte sullo Stretto è stato approfondito nel corso degli anni attraverso studi sperimentali e simulazioni matematiche. Nella documentazione tecnica resa disponibile dalla società Stretto di Messina si fa riferimento a campagne di prove nella galleria del vento, effettuate su differenti componenti della struttura e accompagnate da verifiche indipendenti.
Le indagini comprendono anche aspetti specifici relativi al comportamento delle torri, dell’impalcato e dei cavi, con l’obiettivo di studiare le azioni prodotte dal vento e le eventuali oscillazioni conseguenti. Il ricorso a modelli fisici rappresenta dunque una componente del processo di progettazione, da affiancare alle verifiche strutturali e alle analisi numeriche. Le prove su un modello ridotto non equivalgono, da sole, alla certificazione complessiva della sicurezza dell’opera: il loro valore dipende dal corretto svolgimento degli esperimenti, dalla rappresentatività delle condizioni simulate e dall’integrazione dei risultati nel progetto.
Palamara: studiare il Ponte in laboratorio non significa mettere un modellino davanti a un ventilatore
È proprio questo il messaggio conclusivo dell’approfondimento pubblicato dall’ingegnere Giuseppe Palamara sulla pagina Facebook Strait of Messina Bridge. Le prove aerodinamiche dei grandi ponti sospesi costituiscono attività ingegneristiche complesse, nelle quali le dimensioni del modello rappresentano soltanto uno degli elementi da considerare. La vera sfida consiste nel riprodurre, attraverso rapporti di scala e parametri fisici opportunamente definiti, il comportamento di una struttura che nella realtà si sviluppa per diversi chilometri.
Per il Ponte sullo Stretto, il confronto con le esperienze internazionali permette quindi di comprendere meglio il ruolo dei modelli aeroelastici e il motivo per cui anche riproduzioni relativamente contenute possano fornire informazioni preziose agli ingegneri. Il concetto viene sintetizzato da Palamara nella frase con cui chiude il suo intervento: “La scala cambia. La fisica no“. Un principio che aiuta a comprendere perché, dietro un modello lungo poco più di tredici metri, possa esserci un lavoro scientifico finalizzato a studiare il comportamento al vento di una delle più impegnative strutture sospese mai progettate.
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