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Strutture arboree: un approccio biomeccanico

Il monitoraggio degli alberi

Quando si parla di stabilità degli alberi e del rischio di caduta di branche è inevitabile entrare nel merito di questioni di natura biologica e meccanica, legate rispettivamente a processi degradativi del legno e al carico strutturale della chioma che grava su tronco e radici. Questi aspetti sono così legati tra loro che non è possibile parlare dell’uno senza fare riferimento anche all’altro. Di seguito, una breve dissertazione sulle possibili cause che possono alterare la stabilità delle piante e i principali metodi di valutazione di queste ultime.

Questo approccio, che si può definire biomeccanico, vede l’albero come una struttura sottoposta a diversi tipi di sollecitazione statiche e dinamiche (flessione, torsione, taglio, compressione, trazione ecc.) con origini diverse (peso proprio, vento, neve, ghiaccio). Tra queste, le sollecitazioni dovute al vento sono senza dubbio quelle più importanti, soprattutto perché di tipo dinamico e particolarmente intense. Il peso proprio e il carico della neve o del ghiaccio danno luogo a sollecitazioni di tipo statico e quindi sono responsabili di cadute solo in caso di eventi eccezionali.

Altre cause di crolli degli alberi possono essere l’improvviso isolamento della pianta per l’abbattimento di quelle vicine, oppure cattivi ancoraggi radicali dovuti a terreni superficiali, pesanti o mal drenati.

Per quanto riguarda invece le cause biologiche di schianti, i funghi e gli insetti possono alterare le caratteristiche meccaniche ed elastiche del legno. In particolare, vi sono funghi agenti di marciumi radicali, in grado di alterare la vitalità e la funzionalità meccanica del sistema vascolare ipogeo. L’infezione difficilmente manifesta sintomi chiaramente evidenti sulla chioma, ma la pianta può schiantarsi, venendo a mancare l’ancoraggio al terreno. Tra gli agenti di marciume radicale, il Ganoderma è certamente il più subdolo, poiché può comportarsi come agente sia di carie, rimanendo per anni nel tronco della pianta senza indurre la manifestazione di sintomi esteriori, sia di marciume radicale, passando dal tronco alle radici. È dotato di elevata potenzialità diffusiva, essendo in grado di infettare molte specie. Anche l’Armillaria è abbastanza frequente; conosciuta anche con il nome di chiodino o famigliola, essa comprende specie dotate di patogenicità e areali di distribuzione diversi. Si tratta di un fungo caratterizzato da un’elevata adattabilità, in grado di vivere come saprofita, su vecchie ceppaie nel terreno, per anni e trasformarsi in parassita, anche piuttosto aggressivo, non appena una pianta deperisce.

I funghi agenti di carie del tronco invece sono perloppiù privi di veri e propri requisiti parassitari e utilizzano lignina e cellulosa come fonte di nutrimento, provocando la progressiva degradazione del legno, che diventa spugnoso e perde la caratteristica resistenza meccanica.

Questi funghi sono per la maggior parte Basidiomiceti e formano fruttificazioni a mensola di consistenza suberosa o legnosa sui tronchi; sono inoltre caratterizzati da ampia polifagia. Essi penetrano la corteccia esclusivamente attraverso ferite (tagli di potatura, lesioni traumatiche) e si diffondono nelle parti legnose non conduttrici provocando alterazioni di colore e di consistenza varie a seconda che sia degradata prevalentemente la lignina (carie bianca) o la cellulosa (carie bruna).

Se in un ecosistema naturale i funghi agenti di carie svolgono l’importante funzione ecologica di decomposizione del legno in sostanze umiche, essi divengono invece particolarmente pericolosi nei parchi e nelle alberate, monumentali e non, dove lo schianto anche di un solo grosso ramo può avere conseguenze gravi sui fruitori. Le vie d’infezione sono rappresentate soprattutto da grossi tagli di potatura e da ferite accidentali.

In genere le manifestazioni esterne nelle piante cariate, a livello della chioma o lungo il fusto, sono assai tardive e difficilmente rilevabili anche nei casi in cui l’integrità meccanica delle piante colpite sia irrimediabilmente compromessa. Solo su esemplari molto vecchi e con grosse ferite le carie sono evidenziate da seccumi alla chioma. Per tale motivo, in mancanza di sintomatologie evidenti, la loro presenza ed estensione all’interno della pianta richiede controlli strumentali periodici e mirati.

Onde prevenire l’eventuale possibilità di schianti degli alberi o di rotture di rami, è quindi estremamente importante un controllo periodico della loro integrità.

A tal fine è consigliabile ricorrere a un programma di monitoraggio attraverso l’ispezione accurata delle piante, ponendo particolare attenzione ai sintomi esterni, incentrando l’osservazione delle parti più critiche (colletto, inserzione di branche, biforcazioni) e ricorrendo poi, nelle piante a rischio, ad approfondimenti strumentali per valutare l’estensione delle alterazioni interne, non visibili esternamente.

I metodi di valutazione della stabilità degli alberi

Il Visual Tree Assessment

II concetto che sta alla base del metodo Vta è 1’assioma della tensione costante, in base al quale l’albero cresce e si sviluppa in modo da garantire una regolare e omogenea distribuzione dei carichi su tutte le parti del tronco. Nella migliore delle condizioni quindi nessun punto della chioma dovrebbe risultare sovraccarico; se questa condizione ottimale dell’albero risulta alterata, per esempio a causa di una carie o di uno squilibrio della chioma, l’albero produce legno di reazione nelle zone sofferenti, determinando un rinforzo della struttura. Questa formazione di materiale di riparazione può pertanto considersi come sintomo della presenza di difetti meccanici e fisici all’interno dell’albero. Il riconoscimento e la codificazione di questi sintomi sono, quindi, la fase più importante dell’analisi.

Il Visual Tree Assessment (Vta) prevede fondamentalmente un’analisi visiva dell’albero allo scopo di:

1. esaminare le caratteristiche e lo stato generale della pianta (ad es. dimensioni, età, vitalità, inclinazione del fusto, sito d’impianto ecc.);

2. evidenziare la presenza di manifestazioni esterne di sofferenza meccanica del fusto, dei rami e della zolla radicale (es. spaccature e fessurazioni, cambio di direzione delle fibre del legno, movimenti del terreno alla base della pianta ecc.);

3. valutare l’entità e la gravità dei singoli difetti e le loro ripercussioni sulla stabilità dell’intera struttura.

Il fine ultimo di questo tipo di valutazione è stabilire se la porzione di legno sano residuo, nel punto indagato, è in grado di sostenere le sollecitazioni meccaniche cui è sottoposta e conseguentemente agire con interventi di messa in sicurezza dell’albero, di riduzione della chioma o di abbattimento.

Mattheck spiega come, quando la porzione di legno sano si riduce a meno del 30% della superficie della sezione indagata, possono sussistere rischi di rotture e quindi occorre intervenire per riequilibrare la struttura dell’albero. Il Vta prevede l’uso di penetrometri per l’ispezione interna, che consente di quantificare quanto legno sano è ancora presente, ma negli ultimi anni vi è stata una forte spinta della ricerca, finalizzata alla messa a punto di tecniche strumentali più rapide e raffinate, di cui si parlerà di seguito, per le indagini sulla presenza di carie nei tronchi.

Statics Integrated Assessment – Sia

Il Sia e il Sim sono tecniche che valutano la capacità di resistenza di un albero sulla base di alcuni parametri quali la specie botanica, l’altezza, l’effetto vela della chioma, il diametro del tronco e l’esposizione al vento.

Secondo il Sia, la struttura di un albero non differisce molto da quella di un edificio, per cui la determinazione della sua sicurezza statica e dinamica sottostà alle regole del cosiddetto triangolo della statica in base al quale carico, materiale e geometria, devono essere in reciproco equilibrio affinché l’oggetto considerato possa dirsi stabile.

Il metodo è stato teorizzato da Wessolly; i criteri adottati per determinare la sicurezza delle piante arboree nei confronti di rotture accidentali sono stati stabiliti valutando sperimentalmente più di 3.000 piante, cresciute in diversi contesti ambientali. Di questi alberi è stato determinato un coefficiente di turbolenza aerodinamica (aerodynamic drag factor = Cw), il modulo di elasticità del legno di ciascuna specie, il carico di rottura alla compressione assiale, radiale e tangenziale.

Il Cw esprime il modo con cui un albero si deforma sotto il carico del vento, in funzione anche della sua sagoma e della permeabilità più o meno accentuata della chioma fogliata. Considerando le diverse forme delle chiome e il loro Cw al vento, il rapporto tra momento flettente (espressione del carico del vento) e diametro del fusto può variare di un fattore pari a 8, ossia fusti dello stesso diametro, ma di specie diverse o con chiome differenti, possono sostenere sotto lo stesso carico di vento sollecitazioni assai variabili.

Il carico che agisce sull’albero dipende principalmente dalla spinta del vento e dall’altezza della pianta. L’esposizione dell’albero al vento è differenziata in tre categorie a seconda dell’ambiente in cui esso può essere collocato: i) completamente esposto al vento, ii) parzialmente esposto, iii) protetto dal vento. Per il calcolo del carico di rottura a compressione il metodo considera un albero dalla chioma fitta e sana e un carico massimo corrispondente a un uragano, con velocità di 32,5 m/s (grado 12 della scala anemometrica di Beaufort).

Il materiale, nella definizione data da Wessolly il green wood, è il legno degli ultimi anelli di accrescimento, privo di difetti, che ha umidità superiore al 30% ed è caratterizzato da un elevato modulo elastico.

La geometria è intesa come dimensioni e forma della chioma, del fusto e delle radici. I dati sperimentali raccolti da Wessoly hanno evidenziato come allo stesso diametro del fusto possano essere associate dimensioni di chioma assai diverse e, pertanto, il carico subito in una tempesta può variare moltissimo tra alberi cresciuti in aperta campagna (completamente esposti) e mai potati e altri che vivono in zone urbane e sono quindi protetti dal vento e con chiome non libere.

Considerati tutti questi parametri e la loro evelata variabilità, la presenza di carie o di cavità nel tronco assume decisamente minore importanza nel metodo Sia rispetto al ruolo centrale che le viene riconosciuto nel Vta.

Partendo sempre dai dati raccolti sperimentalmente sono stati elaborati alcuni grafici per rendere applicabile in maniera semplice e immediata il Sia sulle principali specie arboree. I grafici sono stati riuniti in un prontuario tecnico utile per una prima valutazione di stabilità senza l’impiego di alcuna specifica strumentazione

Statics Integrated Method – Sim

Detto anche metodo dell’elastometro-inclinometro, si tratta di una prova statica che valuta la resistenza alla rottura e allo sradicamento di un albero sottoposto a trazione. Il metodo, non distruttivo, misura le risposte delle fibre legnose superficiali quando esse vengono sottoposte a un carico controllato.

Con un paranco manuale, collegato a una fune fissata sulla parte alta del fusto o sui singoli rami della chioma, viene applicata una trazione, il cui valore è registrato da un dinamometro, utilizzando un elastometro sul tronco e un inclinometro sul colletto, vengono misurati i movimenti del tronco e della zolla radicale alle sollecitazione applicata. In particolare, l’elastometro, posizionato in diverse zone del tronco, consente di misurare, con la precisione di 1/1.000 di mm, l’allungamento o l’accorciamento delle fibre legnose. I valori ottenuti sono confrontati mediante appositi programmi informatici con quelli standard di resistenza alla compressione.

Con l’inclinometro, che ha la precisione di 1/100 di grado ed è posizionato al colletto della pianta, si verifica la stabilità dell’apparato radicale allo sradicamento dell’albero sottoposto a sollecitazione. Valori assai elevati rilevati dallo strumento possono evidenziare eventuali anomalie (carie o tagli) sulle radici stesse, permettendo in questo modo di avere un’indicazione reale sull’ancoraggio della pianta. Poiché il carico applicato nella trazione è sempre molto inferiore a quello teorico di rottura del legno considerato, non vi è il rischio di danneggiare le fibre sollecitate. Il Sim, per arrivare a definire in maniera precisa il carico di vento sopportabile dalla pianta, si avvale di un apposito programma grafico.

Tecniche strumentali di approfondimento per la diagnosi delle alterazioni del legno interne al tronco

I metodi per la diagnosi non invasiva delle alterazioni del legno analizzano le proprietà fisiche e chimiche del legno: densità, resistività elettrica, modulo di elasticità, concentrazione ionica e contenuto di umidità.

In anni recenti vi è stata un’evoluzione degli strumenti che utilizzano le sopradette tecniche, spesso sviluppate per applicazioni mediche e ingegneristiche, come penetrometri, misuratori di conduttività elettrica, strumenti a ultrasuoni, densitometri a raggi X e γ e risonanza magnetica nucleare. La maggior parte degli strumenti utilizzati per l’analisi del legname in opera e di tutti i materiali legnosi in genere forniscono un’informazione molto localizzata e influenzata da porzioni non definite del materiale che circonda i sensori. Per questo motivo, quando si applicano tali dispositivi sui tronchi, per l’individuazione di carie interne del legno, sarebbe opportuno effettuare misure in differenti punti in modo da avere più informazioni sulla sezione indagata, anche se ciò necessita di tempi più lunghi.

Non a caso alcune delle suddette tecniche sono state recentemente sviluppate attraverso l’investigazione tomografica. La tomografia (dal greco tomos: sezione) consente di ricostruire una sezione trasversale di un oggetto per mezzo di misure effettuate sulla sua superficie, misurando l’energia che passa attraverso l’oggetto stesso. Differenti tipi di energia possono dare informazioni su diverse proprietà dell’oggetto esaminato: le onde ultrasoniche forniscono indicazioni sulle proprietà elastiche del legno, i campi elettrici e le onde elettromagnetiche alle frequenze radar sulla conduttività (a sua volta in relazione con il contenuto di umidità e la concentrazione ionica), i raggi γ e i raggi X danno informazioni sulla densità del legno.

Molti studi riguardano le tecniche tomografiche, la maggior parte dei quali prendono in esame il legname e in generale le strutture legnose: la tomografia ultrasonica è stata applicata da Tomikawa et al. (1990) e Biagi et al. (1994) per analisi su pali e legname e da Comino et al. (2000b) su alberi in piedi; Dubbel et al. (1999), Weihs et al. (1999) e Comino et al. (2000a) hanno condotto numerosi esperimenti di tomografia elettrica su alberi in piedi; Rust e Gocke, (2000) hanno applicato la tomografia sonica su alberi in piedi; Temnerud e Oja (1998) e Guddanti e Chang (1998) hanno saggiato la tomografia computerizzata a raggi X e Rust (1999) ha utilizzato la medesima tecnica su pini silvestri viventi mentre Chambellan et al. (1994) hanno applicato la tomodensitometria a raggi γ su legno.

Sugli alberi in piedi queste tecniche sono state applicate con particolare riferimento alle onde ultrasoniche, alle onde elettromagnetiche e ai campi elettrici.

autore: Giovanni Nicolotti – Paolo Gonthier

Divapra – Patologia Vegetale – Università degli Studi di Torino

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