Obiettivi

 

Il WP è sviluppato in tre sotto-azioni:

3.1) Il codice 3D Hy-STONE sarà implementato introducendo nuove leggi di impatto per il rimbalzo e per l’impatto con strutture ed alberi. Inoltre, sarà implementata la possibilità di simulare corpi prismatici non simmetrici / irregolari. Il processo di frammentazione sarà modellato utilizzando approcci di meccanica semplificata delle fratture. Ciò consentirà di ottenere risultati più realistici, in particolare in caso di impatti caratterizzati da alti contenuti energetici.

3.2) Sarà sviluppato un nuovo strumento di modellazione per le agenzie regionali. Lo strumento includerà le funzioni più utili e di base di Hy-STONE, consentendo di eseguire simulazioni complete per singoli casi di studio e l’analisi dei costi e dei benefici, al fine di migliorare la mitigazione del rischio.

3.3) Definizione delle procedure di progettazione per l’uso di argini rinforzati, con lo scopo di migliorare le misure di mitigazione. Di fatto questo tipologia di struttura è abbastanza comune, ma fino ad ora non sono ancora disponibili in letteratura approcci convincenti e ben stabiliti.

 

Risultati

 

Definizione della legge di impatto

1) Attraverso l’utilizzo di un codice numerico DEM (PFC3D) per la simulazione di impatti di corpi sferici contro mezzi granulari sono stati simulati:

• impatti verticali su strati orizzontali
• impatti inclinati su strati orizzontali
• impatti verticali su strati inclinati 

 

 

 

2) Analisi parametriche al variare del contenuto energetico dell’impatto, dello stato di addensamento del materiale, dell’inclinazione della velocità di impatto e dell’inclinazione dello strato.

 

 

 

Modellazione reologica degli impatti

La modellazione del processo di impatto è stata eseguita sviluppando un innovativo modello reologico che consente di descrivere le forze di contatto che insorgono tra il blocco e lo strato impattato durante la loro interazione. Tale modello è frutto della combinazione di modelli più semplici, come mostrato nella figura sottostante, per il caso di componenti normali e tangenziali delle forze/spostamenti. Analogo discorso vale per le componenti rotazionali che possono giocare un ruolo determinante nella propagazione del blocchi durante il loro moto. 

 

Questo approccio è molto versatile in quanto modificando opportunamente le leggi costitutive è possibile tenere in conto della geometria del blocco che sta impattando, della sua orientazione nello spazio e delle componenti cinematiche/dinamiche. A tal proposito oltre alla geometria sferica, tipicamente usata nello studio degli impatti e nelle applicazioni pratiche, ma semplificate, sono state considerate nel progetto geometrie più complesse. Sono state implementate leggi costitutive che simulano blocchi prismatici, a base regolare, con numero prefissato di lati e blocchi ellissoidici. Nelle due figure sottostanti sono rappresentate rispettivamente la sezione trasversale di un prisma a base quadrata, che impatta con un vertice e la sezione meridiana di un ellissoide, in cui l’impatto può avvenire secondo un’orientazione generica.

 

Nella figura sottostante sono riportati alcuni risultati di simulazioni numeriche realizzate tramite il modello reologico generalizzato per un caso con un pendio inclinato di 20°, blocchi prismatici di forma triangolare e sferici per diversi angoli di impatto. I risultati evidenziano i marcati effetti connessi alla geometria del blocco e all’angolo di impatto sui meccanismi e il moto del blocco durante l’impatto e immediatamente a seguito del rilascio. Tali effetti si ripercuotono sulla traiettoria e sulla energia di rotazione del blocco stesso.

Per quanto concerne i blocchi ellissoidici sono stati considerati tutti i casi che vanno da impatti verticali ad impatti inclinati. Nel caso di impatti verticali si presentano i risultati per due orientazioni del blocco (lungo l’asse maggiore e quello minore) e differenti rapporti di forma. Nel caso di impatti inclinati oltre ai diversi rapporti di forma è simulata l’influenza di differenti angoli di impatto. I risultati sono mostrati nella figura sottostante in termini di spostamenti, forze verticali e coefficienti di restituzione normale e tangente associabili a tali condizioni di impatto.

 

Ai fini di proteggere infrastrutture e centri abitati dai pericoli causati dalla caduta massi è uso comune la progettazione di opere di difesa quali reti e rilevati paramassi. Queste opere in terra sono realizzate tramite geotessili e geogriglie che consentono di costruire opere più snelle e di distribuire al meglio le forze che nascono al momento dell’impatto. Nella figura sottostante è riportata l’impronta di impatto a seguito dell’interazione di un blocco con un rilevato paramassi dove si evidenzia un affondamento del blocco dovuto ad un meccanismo di punzonamento che non ha causato la rottura globale dell’opera.

Per modellare l’impatto di un blocco contro un rilevato paramassi il modello reologico sviluppato durante il progetto è stato esteso tramite l’aggiunta di opportuni ulteriori elementi che consentono di modellare il comportamento del rilevato ed il meccanismo generato dall’impatto. Il modello è stato calibrato a partire da dati di prove in vera grandezza e successivamente impiegato per studiare gli effetti che differenti grandezze hanno sulla traiettoria del blocco, durante l’impatto, e sul meccanismo di punzonamento innescato all’impatto. I risultati di queste analisi sono riportatati nelle figure sottostanti.

Oltre a rilevati e reti paramassi, le coperture boschive svolgono un ben noto ruolo di protezione riconosciuto anche in leggi di difesa del territorio. Un blocco può essere deviato oppure arrestato dall’impatto con il fusto di un albero in funzione delle caratteristiche del moto e dell’ostacolo. L’effetto di una zona boscosa dipende da numerosi fattori tra cui la densità di alberi, il diametro del fusto (rappresentativo della maturità del bosco) e il tipo di albero (resistenza all’impatto). Al fine di valutare l’effetto protettivo del bosco viene proposto nell’ambito del progetto un coefficiente di efficienza (EEI) in base al quale le coperture boschive della regione Lombardia, poste in prossimità di infrastrutture e centri abitati, possono essere classificate e mappate attribuendo ai boschi un grado di protezione. La figura sottostante mostra i risultati ottenuti.

La suddetta mappa è frutto di simulazioni numeriche ottenute con il codice di caduta massi Hy-Stone che tiene conto per mezzo di un metodo stocastico della presenza degli alberi. La figura sottostante mostra le frequenze di passaggio dei blocchi nelle varie zone considerando un’area sorgente prefissata (linea azzurra) i risultati mostrano la validità delle simulazioni in quanto i blocchi ricadono all’interno delle zone delimitate con la linea bianca che sono quelle individuate mappando crolli avvenuti in passato.