Foglio per la pratica. Influenza del peso della vegetazione sulla stabilita dei pendii

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1 Foglio per la pratica Influenza del peso della vegetazione sulla stabilita dei pendii Schwarz M., Dazio E., Soldati M. contatto: Ecco perché il peso di grossi alberi: - conta poco in rapporto alle forze in gioco in una frana (+/- 3%). - può anche avere un effetto positivo sulla stabilità dei pendii (se l inclinazione del pendio è minore dell angolo di attrito interno del suolo) (vedi punto 5). - conta, spesso, molto meno del rinforzo radicale (basale e laterale) degli alberi stessi (vedi punto 6). 1 Informazioni di contesto sulle frane superficiali La maggior parte delle frane superficiali in Svizzera hanno volumi compresi tra 100 e 300 m3 con profondità comprese tra 0.5 e 2 m (Rickli e Graf, 2009). I fattori che limitano il formarsi di frane superficiali e che definiscono la loro dimensione sono: la coesione del suolo ed il rinforzo radicale per frane poco profonde e la resistenza a compressione del terreno (pressione passiva del terreno) nel caso di frane più profonde, quest ultima infatti cresce in maniera esponenziale all aumentare della profondità del suolo (Schwarz et al., 2015). 2 Assunzioni sulla distribuzione del peso della vegetazione sul pendio La forza peso degli alberi su un pendio è distribuita in maniera eterogenea a seconda della posizione e dimensione delle piante. A seconda del tipo di apparato radicale tali forze possono essere ridistribuite nel sotto-suolo con geometrie ad intensità diverse. Data tale ridistribuzione è plausibile assumere che ad una certa profondità la forza peso degli alberi sia distribuita in maniera più omogenea che negli strati più superficiali del terreno, come illustrato nella figura 1. Tale considerazione rende plausibile l assunzione di un carico omogeneo della forza peso degli alberi sulla superficie di scorrimento di una frana. a) Fig. 1: a) Illustrazione concettuale della distribuzione della tensione interna al terreno dovuta alla forza-peso della vegetazione a due diverse profondità. b) Scavo di un apparato radicale che mostra la distribuzione delle radici strutturali attraverso cui vengono ridistribuite le forze dovute al peso. b)

2 La forza-peso degli alberi, che segue la direzione della gravità, agisce sulla frana con una componente parallela ed una perpendicolare (90 ) al piano di scorrimento di una frana. La figura 2 mostra in maniera schematica tale scomposizione della forza-peso, dove la componente parallela al pendio contribuisce a destabilizzare il pendio mentre quella perpendicolare aumenta la resistenza al taglio del terreno. Fig. 2: Schema di scomposizione della forza-peso della vegetazione nelle sue componenti parallela e perpendicolare. La resistenza al taglio del terreno (τ) è proporzionale alla componente perpendicolare della forza-peso della vegetazione (FN). 3 Definizione delle forze calcolate per l analisi di stabilità di un pendio Le forze stabilizzanti in una frana sono dovute alla resistenza al taglio del terreno e dal rinforzo radicale (laterale o basale). La resistenza al taglio del terreno è data dalla somma della coesione e dell attrito del terreno. Notare che la forza d attrito attivata nel terreno è direttamente proporzionale alla componente perpendicolare della forza peso del terreno (+ alberi) rispetto al piano di scorrimento della frana. Di conseguenza, più è profonda la frana, maggiori risultano le forze stabilizzanti dovute all attrito del terreno. Le forze destabilizzanti di una frana sono dovute alla componente parallela della forza peso del terreno (+ alberi) rispetto al piano di scorrimento della frana. Con il termine forza peso si intende la forza (in [N] = Newton) dovuta alla massa (in [kg]) del terreno o degli alberi moltiplicata per l accelerazione di gravità (in [m/s 2 ]). L effetto del rinforzo radicale può essere paragonato all effetto della coesione del terreno. Nei calcoli di stabilità dei pendii si distingue tra il rinforzo radicale basale che agisce lungo il piano di scorrimento della frana ed il rinforzo radicale laterale che agisce sulla superficie verticale ai margini della frana. 4 Considerazione sull effetto delle sollecitazioni dinamiche e la stabilità degli alberi Variazioni di forze dovute a sollecitazioni conseguenti al vento e/o neve sono talmente locali che non influenzano la stabilità totale di una frana (anche per quelle piccole). Al momento, non è mai stato osservato o dimostrato che a causa della caduta di una singola pianta o un gruppo di piante si sia innescata una frana. In questo documento si considerano dunque solo le forze statiche dovute al peso delle piante. 5 Calcoli della componente stabilizzante e destabilizzante del peso della vegetazione La forza peso dovuta alla vegetazione viene considerata nei seguenti calcoli come se fosse distribuita in maniera omogenea sulla superficie della frana. Dalla bibliografia si possono assumere valori di peso massimo della vegetazione tra 100 e 200 kg/m 2 (Steinacher et al, 2009; West, 2009) Il metodo di calcolo utilizzato per i calcoli di stabilità è spiegato in Schwarz et al. (2010) (consultabili su:

3 La figura 3 mostra la percentuale delle forze dovute al peso della vegetazione (stabilizzanti e destabilizzanti) in rapporto alle forze destabilizzanti totali dovute al terreno di una frana di 400 m 3 con una profondità di 1.5 m su differenti pendenze (asse delle x), assumendo la coesione del suolo = 0 e l angolo di attrito interno = inclinazione pendio (considerando quindi il pendio in equilibrio limite). Su pendenze maggiori di 45 la componente destabilizzante della forza peso degli alberi risulta superiore a quella stabilizzante. Notare comunque che in genere si tratta di valori percentuali inferiori al 3% Inoltre, spesso, su pendenze maggiori di 45 la profondità del suolo è talmente ridotta che l apporto del rinforzo basale delle radici ha un effetto stabilizzante nettamente superiore agli effetti dovuti al peso della vegetazione. Fig. 3: Esempio del rapporto tra forze destabilizzanti (linea rossa) e stabilizzanti (linea blu) dovute al peso della vegetazione in funzione dell inclinazion e del pendio. La figura 4 mostra in dettaglio la variabilità dell effetto del peso della vegetazione sulla stabilità del pendio in relazione al peso del terreno della frana, considerando diverse profondità. L effetto del peso della vegetazione diminuisce all aumentare della profondità del piano di scorrimento della frana. Il valore di forze sull asse delle Y mette in netta evidenza la differenza tra le forze dovute al terreno e quelle dovute alla vegetazione. Fig. 4: Illustrazione del valore assoluto di forze dovute al peso della vegetazione (linee blu e rosse) in confronto alla forza destabilizzante dovute al peso del terreno (linea nera punteggiata).

4 6 Effetto del peso della vegetazione in rapporto al contributo stabilizzante dato dal rinforzo radicale La figura 5 mostra il confronto delle forze che agiscono su una frana in funzione dell inclinazione del pendio, assumendo tre profondità della frana stessa (0.5, 1.25, e 2 m) ed una distribuzione del rinforzo radicale calcolato secondo Schwarz et al. (2010). I dati mostrano che il contributo del rinforzo radicale è nettamente maggiore dell effetto del peso delle piante (sia esso stabilizzante o destabilizzante). Inoltre si nota che il contributo del rinforzo radicale basale si annulla a profondità della frana superiori a m. Fig. 5: Confronto di alcune forze che agiscono su una massa franosa. Le linee rossa e blu indicano le forze destabilizzanti e stabilizzanti dovute la peso della vegetazione. Le linee verde chiara e scura mostrano l effetto del rinforzo radicale basale e laterale. Le linee arancione e viola indicano il totale delle forze stabilizzanti e destabilizzanti. 7 Considerazioni finali È importante precisare che nel caso di alberi instabili lungo strade (Fig. 6) e torrenti, la priorità consiste molto spesso nell assicurare la stabilità di singoli alberi, e quindi le piante instabili di grosse dimensioni vengono spesso eliminate. Fig. 6: Esempio di una ceduazione lungo una strada. Tale intervento serve ad evitare che i polloni invecchiati instabili creino pericolo per la viabilità.

5 7 Referenze bibliografiche Rickli, C. e Graf, F., Effects of forests on shallow landslides - case studies in Switzerland. Forest, Snow and Landscape Research, 82 (1), Schwarz M., Preti F., Giadrossich F., Lehmann P., e Or D., Quantifying the role of vegetation in slope stability: A case study in Tuscany (Italy). Ecological Engineering, 36 (3), Schwarz, M., Rist, A., Cohen, D., Giadrossich, F., Egorov, P., Büttner, D., Stolz, M., Thormann, J.J., Root reinforcement of soils under compression. Journal of Geophysics Research: Earth Surface, 120(10): DOI: /2015JF Steinacher R., Medicus G., Fellin W. e Zangerl C., Effect of deforestation on slope (in-)stability. Austrian Journal of Earth Sciences, 102 (2), West P.W., Tree and forest measurement. Springer editore, 191p.