1. Definizione e principi fisici fondamentali
La spinta idrostatica rappresenta la pressione esercitata da un fluido in quiete su una superficie a contatto con esso. Nel contesto dell'edilizia interrata, questo fenomeno assume un'importanza critica per la stabilità e l'integrità delle strutture sotterranee quali cantine, garage interrati, parcheggi sotterranei e locali tecnici.
Il principio fisico alla base della spinta idrostatica deriva dalla legge di Stevino, secondo cui la pressione in un punto di un fluido in quiete è proporzionale alla profondità del punto rispetto alla superficie libera del fluido stesso. La formula fondamentale è:
P = ρ × g × h
Dove:
P = pressione idrostatica [Pa o kPa]
ρ = densità del fluido [kg/m³] (per l'acqua ≈ 1000 kg/m³)
g = accelerazione gravitazionale [9,81 m/s²]
h = altezza della colonna d'acqua [m]
Un aspetto fondamentale della pressione idrostatica, noto come "paradosso idrostatico", è che essa dipende esclusivamente dalla profondità e non dalla forma o dal volume del contenitore. Ciò significa che la pressione alla base di una parete interrata sarà identica indipendentemente dall'estensione orizzontale della falda acquifera.
1.1 Valori di pressione idrostatica in funzione della profondità
Profondità (m)
Pressione (kPa)
Pressione (kg/m²)
Equivalente (bar)
1,0
9,81
1.000
0,10
2,0
19,62
2.000
0,20
3,0
29,43
3.000
0,29
4,0
39,24
4.000
0,39
5,0
49,05
5.000
0,49
6,0
58,86
6.000
0,59
Come evidenziato dalla tabella, ad ogni metro di profondità corrisponde un incremento di pressione di circa 9,81 kPa. Per un interrato con pareti di 3 metri di altezza completamente immerse nella falda, la pressione alla base raggiungerà quasi 30 kPa, equivalente a circa 3 tonnellate per metro quadrato di superficie.
2. Direzioni di applicazione della spinta idrostatica
La spinta idrostatica agisce sulle strutture interrate secondo due direzioni principali, ciascuna con caratteristiche e criticità specifiche:
2.1 Spinta laterale (orizzontale)
La spinta laterale agisce perpendicolarmente alle pareti verticali dell'interrato. La distribuzione della pressione è triangolare, con valore nullo in corrispondenza della superficie libera dell'acqua e valore massimo alla base della parete. La forza risultante per unità di lunghezza di parete (per una parete di altezza H completamente immersa) è:
F = ½ × ρ × g × H²
Il punto di applicazione della risultante si trova a 1/3 dell'altezza dalla base. Questa distribuzione di carico provoca sollecitazioni flessionali nelle pareti, con momento massimo generalmente localizzato alla base o in corrispondenza dei vincoli intermedi (solai).
2.2 Sottospinta (verticale verso l'alto)
La sottospinta idrostatica, derivante dal principio di Archimede, agisce sulla platea di fondazione esercitando una forza verticale diretta verso l'alto. Questa pressione è uniforme su tutta la superficie della platea e corrisponde alla pressione alla quota del fondo scavo:
p_sottospinta = ρ × g × H_falda
dove H_falda rappresenta l'altezza della falda sopra il piano di fondazione. La sottospinta può causare il sollevamento (galleggiamento) dell'intera struttura se il peso proprio dell'edificio non è sufficiente a contrastarla.
3. Quadro normativo di riferimento
3.1 Normativa italiana: NTC 2018 e Circolare applicativa
Le Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M. 17 gennaio 2018) trattano la spinta idrostatica nel Capitolo 6 dedicato alla progettazione geotecnica. Il § 6.2.4.2 definisce gli stati limite ultimi di tipo idraulico:
UPL (Uplift): Perdita di equilibrio della struttura o del terreno dovuta alla sottospinta dell'acqua (sollevamento per galleggiamento). Tipico di parcheggi sotterranei, stazioni metropolitane, vasche e strutture interrate leggere.
HYD (Hydraulic): Erosione e sifonamento del terreno dovuti a gradienti idraulici, con annullamento delle tensioni efficaci intergranulari.
La verifica allo stato limite di sollevamento richiede che il valore di progetto delle azioni instabilizzanti (sottospinta) non superi la combinazione dei valori di progetto delle azioni stabilizzanti (peso proprio della struttura e sovraccarichi permanenti).
3.2 Normativa europea: Eurocode 7
L'Eurocodice 7 (EN 1997-1) fornisce il quadro europeo per la progettazione geotecnica. La Sezione 9 tratta specificamente le strutture di sostegno, includendo le pareti di cantina. I punti salienti comprendono:
La pressione dell'acqua deve essere considerata come azione permanente sfavorevole.
I livelli d'acqua devono essere selezionati considerando le condizioni più sfavorevoli ragionevolmente prevedibili durante la vita utile della struttura.
Devono essere considerati gli effetti dei cambiamenti climatici sulla variabilità a lungo termine dei livelli di falda.
3.3 Standard britannici: BS 8102 e guide CIRIA
Il British Standard BS 8102:2022 "Code of practice for protection of below ground structures against water from the ground" rappresenta il riferimento tecnico più completo per la progettazione di strutture interrate impermeabili. La norma classifica tre tipologie di protezione:
Tipo A (Tanked protection): Membrane impermeabilizzanti applicate internamente o esternamente, progettate per resistere alla pressione idrostatica.
Tipo B (Structurally integral protection): Struttura in calcestruzzo progettata per essere intrinsecamente impermeabile.
Tipo C (Drained cavity): Sistema drenante a cavità che raccoglie e allontana l'acqua infiltrata.
Il report CIRIA R139 "Water-resisting basements" integra la norma BS 8102 con indicazioni pratiche per la progettazione e costruzione, distinguendo tra interrati profondi e superficiali.
4. Quantificazione delle forze in gioco
4.1 Esempio di calcolo: interrato tipo
Si consideri un interrato residenziale con le seguenti caratteristiche: profondità 3,00 m dal piano campagna, dimensioni in pianta 10 × 15 m, falda acquifera stabile a -1,00 m dal piano campagna (quindi 2,00 m sopra la platea).
Spinta laterale sulle pareti (per metro lineare):
Altezza colonna d'acqua: H = 2,00 m
Pressione massima alla base: p_max = 1000 × 9,81 × 2,00 = 19,62 kPa
Forza risultante: F = ½ × 19,62 × 2,00 = 19,62 kN/m
Sottospinta sulla platea:
Pressione uniforme: p = 1000 × 9,81 × 2,00 = 19,62 kPa ≈ 2 t/m²
Area platea: A = 10 × 15 = 150 m²
Forza totale di sollevamento: F_up = 19,62 × 150 = 2.943 kN ≈ 300 tonnellate
Questo esempio evidenzia come la sottospinta possa raggiungere valori considerevoli anche per interrati di dimensioni modeste. La struttura dovrà avere un peso proprio (platea, pareti, solaio di copertura) sufficiente a garantire un adeguato margine di sicurezza contro il galleggiamento.
Componente
Pressione max
Forza totale
Direzione
Spinta laterale pareti
19,62 kPa
19,62 kN/m
Orizzontale
Sottospinta platea
19,62 kPa
2.943 kN
Verticale ↑
5. Danni e patologie strutturali
5.1 Danni alle pareti verticali
La spinta idrostatica laterale provoca sollecitazioni flessionali nelle pareti perimetrali dell'interrato. I principali fenomeni patologici includono:
Fessurazioni orizzontali: Indicano il raggiungimento della resistenza a trazione del calcestruzzo nella zona tesa. Sono particolarmente pericolose perché possono preludere a cedimenti strutturali progressivi.
Imbozzamento (bowing): Deformazione progressiva della parete verso l'interno. Quando la freccia raggiunge valori significativi (tipicamente superiori a L/150, dove L è l'altezza libera), è necessario un intervento urgente di consolidamento.
Infiltrazioni: L'acqua sotto pressione trova percorsi preferenziali attraverso fessure, giunti di costruzione e discontinuità, causando efflorescenze saline, degrado delle finiture e potenziale sviluppo di muffe.
5.2 Danni alle platee di fondazione
La sottospinta sulla platea genera sollecitazioni flessionali con fibre tese nella parte superiore (contrariamente al normale comportamento sotto carichi verticali discendenti). I danni tipici comprendono:
Fessurazioni in mezzeria: Lesioni longitudinali che indicano insufficiente armatura superiore.
Sollevamento differenziale: Movimenti disomogenei che causano distorsioni angolari e danni alle partizioni interne.
Risalita capillare: Anche in assenza di fessure, l'acqua sotto pressione può permeare il calcestruzzo, causando umidità di risalita nelle pavimentazioni.
5.3 Fenomeno del galleggiamento (flotation)
Il galleggiamento rappresenta lo stato limite ultimo più grave per le strutture interrate. Si verifica quando la sottospinta supera il peso stabilizzante della struttura. La letteratura tecnica riporta numerosi casi di edifici letteralmente "emersi" dal terreno durante fasi di cantiere o in seguito a innalzamenti eccezionali della falda.
Un caso emblematico documentato in letteratura riguarda un parcheggio interrato a Pechino dove l'interruzione prematura del sistema di depressione della falda, prima del completamento del rinterro e della realizzazione della struttura in elevazione, ha causato il sollevamento della platea con conseguenti fessurazioni dei pilastri e deformazioni irreversibili della struttura.
6. Sistemi di prevenzione e mitigazione
6.1 Soluzioni progettuali strutturali
Incremento del peso proprio: Aumento dello spessore della platea (platee idrostatiche) per fornire il contrappeso necessario. Soluzione semplice ma spesso antieconomica per falde elevate.
Pali di ancoraggio (tension piles): Pali che lavorano a trazione, ancorati in strati profondi resistenti, per vincolare la platea e impedire il sollevamento. Soluzione efficace per falde molto alte.
Zavorratura: Utilizzo di materiali pesanti (ghiaia, calcestruzzo magro) come rinterro sopra la platea per incrementare i carichi stabilizzanti.
6.2 Sistemi di drenaggio e depressione della falda
Dreni sottoplatea: Rete di dreni perforati posati sotto la platea in un letto di ghiaia, collegati a pozzetti di raccolta e pompe di sollevamento.
Well-point e pozzi di depressione: Sistemi di pompaggio perimetrali per abbassare temporaneamente la falda durante la costruzione. Richiedono attenzione agli effetti sui fabbricati adiacenti (cedimenti per consolidazione).
Valvole di sfiato idrostatico: Dispositivi che consentono il rilascio controllato della pressione sotto la platea in caso di innalzamenti temporanei della falda.
6.3 Impermeabilizzazione
L'impermeabilizzazione non elimina la spinta idrostatica ma impedisce l'infiltrazione d'acqua nell'ambiente interno. I sistemi principali, come classificati dalla BS 8102, includono:
Membrane bituminose o sintetiche: Applicate esternamente (ideale) o internamente. Devono essere progettate per resistere alla pressione idrostatica attesa.
Calcestruzzo impermeabile (white tank): Calcestruzzo ad alta compattezza con additivi impermeabilizzanti, armatura progettata per limitare l'apertura delle fessure (w < 0,2 mm).
Sistemi a intercapedine drenante: Membrane con profilo cuspidato che creano una camera di raccolta per l'acqua eventualmente infiltrata, convogliandola a sistemi di smaltimento.
7. Aspetti critici nelle fasi costruttive
La fase costruttiva rappresenta il periodo di massima vulnerabilità per gli interrati rispetto alla spinta idrostatica. L'interruzione prematura del sistema di depressione della falda (wellpoint) prima del completamento del rinterro e dei carichi stabilizzanti è la causa più frequente di incidenti da galleggiamento.
Le NTC 2018 e l'Eurocode 7 richiedono esplicitamente la verifica delle condizioni transitorie durante la costruzione. Il progettista deve definire le sequenze costruttive ammissibili e le condizioni limite per la disattivazione dei sistemi di aggottamento. Il fattore di sicurezza al galleggiamento durante le fasi costruttive non deve essere inferiore a 1,1 secondo la prassi consolidata, aumentato a 1,25 per strutture sensibili.
8. Riferimenti bibliografici e normativi
Normativa italiana:
D.M. 17 gennaio 2018 – Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC 2018)
Circolare 21 gennaio 2019 n. 7 – Istruzioni per l'applicazione delle NTC 2018
Normativa europea:
EN 1997-1 (Eurocode 7) – Geotechnical design: General rules
EN 1997-3 – Geotechnical design: Retaining structures (seconda generazione)
Standard britannici e guide tecniche:
BS 8102:2022 – Code of practice for protection of below ground structures against water from the ground
CIRIA Report R139 – Water-resisting basements: A guide
CIRIA C515 – Groundwater control: Design and practice
BRE Good Building Guide GG72 – Basement construction and waterproofing
Standard statunitensi:
ASCE 7 – Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures
ACI 350 – Code Requirements for Environmental Engineering Concrete Structures
Fasi di risanamento con resina idroespansiva o idroreattiva
Resine idroespansive:
La tecnica consiste nell’iniettare a pressione variabile ( fino a 250 atmosfere), con l’ausilio di una pompa ed appositi packer (iniettori), una speciale resina idroespansiva , in grado di saturare definitivamente tutti gli spazi vuoti presenti nelle fondazioni, riprese di getto, crepe e fessurazioni dei muri in calcestruzzo di tutte le tipologie di murature, arrestando così le infiltrazioni d’acqua e l’umidità in controspinta, mantenendo la struttura asciutta in tutto il suo spessore ed evitando così il deterioramento e l’ossidazione del ferro. Il sistema permette anche di creare una vera e propria membrana impermeabilizzante tra getti diversi di calcestruzzo della struttura, in situazioni
Il metodo più sicuro e versatile prevede l'iniezione ad alta pressione di speciali resine idroespansive che reagiscono a contatto con l'acqua. Il risultato è una struttura poliuretanica morbida e flessibile a cellule chiuse, resistente anche in ambienti corrosivi, in grado di saturare definitivamente tutti gli spazi vuoti. Questo impedirà all'acqua di penetrare nella muratura e di riprendere il corretto percorso. L'arresto immediato delle infiltrazioni d'acqua permetterà di mantenere la costruzione asciutta in tutto il suo spessore. Questo fa sì che i materiali che compongono la struttura non si deteriorino. Sigillatura: i fori vengono realizzati con un angolo di 45° per una profondità di circa la metà dello spessore del muro fino ad intersecare le crepe di venuta d’acqua. La distanza dei fori può variare tra i 15cm e 90cm. Infine, verranno installati gli iniettori nei quali verrà iniettata la resina che andrà a creare una guarnizione all'interno della muratura, fino alla sua completa saturazione.
Soluzione con telo bentonico
Soluzione con membrana impermeabilizzante anti Radon
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Ditta Renzo-ArtHome
di Spedicato Oronzo
Specialista in risanamenti di interrati e umidità di risalita
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