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Stefano Falappi

Simulazioni numeriche effettuate con la tecnica SPH della caduta di frane e di blocchi rocciosi compatti entro il volume liquido in quiete contenuto in un bacino.


Universita' degli Studi di Pavia


Universita' degli Studi di Pavia


Universita' degli Studi di Pavia

     Full text: PPT
     Last modified: February 18, 2005

Abstract
Scopo di questa comunicazione è di documentare l'attività di ricerca svolta presso il Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale della Università di Pavia sul tema degli effetti idrodinamici prodotti dalla caduta di masse compatte o incoerenti entro un volume liquido in quiete.
Il problema è relativo alla sicurezza nella gestione degli invasi in presenza di potenziali rischi di caduta di massi o di frane.
I disastri del passato e la sostanziale imprevedibilità dei fenomeni franosi e di distacco di parti rocciose ha indotto a un comportamento cautelativo, in particolare nella gestione dei serbatoi artificiali, limitando severamente le quote di invaso qualora esistano ragioni per sospettare il verificarsi di tali eventi.
Oltre alla imprevedibilità di tali eventi, un'ulteriore incertezza nel definire i rischi correlati deriva dalla difficoltà di prevedere l'effetto di una supposta caduta entro la massa liquida in termini di altezza massima dell'onda generata, dei suoi tempi di arrivo nelle zone rivierasche, nonché la possibilità di sormonto del coronamento dell'eventuale diga che sottende al serbatoio.
La complessità del fenomeno idraulico ha fatto sì che in passato si ottenessero queste informazioni grazie allo studio su modelli fisici. Questi sono in generale costosi da realizzare e da gestire, ed in particolare sono caratterizzati da una limitata flessibilità per quanto riguarda la realizzazione di scenari corrispondenti a ipotesi diverse.
Oggi sembra possibile seguire la strategia della simulazione numerica sfruttando tecniche elaborate recentemente che richiedono una elevata potenza di calcolo ormai spesso disponibile.
L'attività svolta in questi anni presso il Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale dell'Università di Pavia è indirizzata alla realizzazione di simulazioni numeriche che permettano di ottenere informazioni idrodinamiche consistenti, attendibili e, di conseguenza, utili a definire gli scenari di rischio connessi con la caduta di frane o massi entro un volume di acqua in quiete.
Le caratteristiche del fenomeno idraulico portano a escludere l'impiego degli strumenti di simulazione numerica tradizionali, generalmente di natura euleriana e di impiego assai arduo in presenza di campi di moto con frontiere libere in moto vario rapidamente variato.
L'esperienza recente ha permesso di riconoscere che una tecnica lagrangiana molto flessibile, mutuata dall'astrofisica, risulta particolarmente adatta per trattare queste complicazioni.
La tecnica in questione è nota col nome SPH (Smoothed Particle Hydrodinamics), ideata verso la fine degli anni 70 e sviluppata nel decennio successivo, è stata impiegata per simulare fenomeni cosmologici come l'interazione tra galassie, la formazione di nebulose planetarie, ecc. [1].
A partire dalla fine degli anni ottanta la tecnica è stata contemporaneamente applicata ad altri problemi di meccanica e studiata negli aspetti matematici [2,3].
Questa tecnica è stata impiegata dalla fine degli anni 90 anche presso il Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale della Università di Pavia per simulare svariati fenomeni idrodinamici di moto rapidamente variato con caratteristiche stazionarie e non stazionarie[4,5].

L'attività della ricerca in corso è stata indirizzata inizialmente alla verifica della capacità della tecnica SPH di riprodurre campi di moto bidimensionali prodotti dalla caduta di corpi indeformabili entro una massa liquida in quiete.
A tale scopo sono state effettuate presso il Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale prove sperimentali riguardanti la caduta di un grave entro una vasca. I risultati che saranno illustrati mostrano l'accordo tra le simulazioni numeriche e le misure sperimentali e permettono di ritenere valida la tecnica SPH per la risoluzione di tali problemi.
Il passo successivo prevede di svincolarsi dalla indeformabilità dei gravi in caduta e di analizzare pertanto la dinamica di eventi franosi e la loro interazione con masse liquide in quiete.
La simulazione della deformazione di un ammasso franoso entro un ambiente liquido è di elevata complessità. In primo luogo occorre riconoscere quali siano i modelli reologici che meglio si prestano a descrivere tali movimenti, inoltre è necessario acquisire una certa esperienza per individuare caso per caso il più attendibile fra tutti i modelli e soprattutto definirne a priori i parametri.
Per illustrare questa problematica sarà presentata una simulazione bidimensionale della frana di Pontesei del 1959. I risultati di tale simulazione sono confrontati con i risultati del modello fisico dello stesso evento realizzato nel 1968 presso il Laboratorio di Idraulica della Università di Padova.
In futuro come ultimo atto dell'attività di ricerca si renderà necessario svincolarsi dalla schematizzazione bidimensionale adottata per questi esperimenti. Ciò presenta dei problemi di natura essenzialmente tecnica. Si può ritenere, infatti, che risultati analoghi a quelli ottenuti per i problemi bidimensionali siano raggiungibili anche in tre dimensioni. L'ottenimento degli stessi richiede da un lato un'elevata potenza computazionale, dall'altro lo sviluppo di algoritmi che minimizzino i tempi di calcolo delle simulazioni numeriche.

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
[1] L.B. Lucy, A numerical approach to the testing of fission hypotesis, Astronom. J. 1977,82
[2] J.J. Monaghan, Gravity currents and solitary waves.Physica D. 1996, 98, 523-533
[3] J.J. Monaghan, Smoothed Particle Hydrodynamics. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 1992, 30, 543-574
[4] M. Gallati, D. Sturla, Impiego della tecnica SPH per simulare la dinamica di flussi liquidi con superficie libera in moto rapidamente variato
[5] M.Gallati, G. Braschi, Simulazione lagrangiana di flussi con superficie libera in problemi di idraulica, L'ACQUA 5/2000

Appendices
      Caduta non guidata di un corpo rettangolare in un servatoio
      Caduta di un corpo circolare sommerso in un serbatoio
      Simulazione bidimensionale di una frana reale
      Caduta di un corpo quadrato in un serbatoio
      Filmato intervento

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