Descrizione del modulo "Modellazione numerica per lo studio dell'evoluzione tenso-deformativa e cinematica dei versanti instabili (TA.P05.006.017)"

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  • Descrizione del modulo "Modellazione numerica per lo studio dell'evoluzione tenso-deformativa e cinematica dei versanti instabili (TA.P05.006.017)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Le tecniche di modellazione che verranno sviluppate hanno potenziale impiego soprattutto nei campi della protezione civile, della pianificazione urbanistica e territoriale e più in generale della gestione del territorio. Infatti, l'analisi dell'evoluzione deformativa di un'area in frana consente di individuare le zone maggiormente suscettibili di spostamenti, anche in previsione, e dunque di conoscere quali siano i comportamenti attesi, i danni potenziali ed i rischi per le strutture e le infrastrutture presenti nelle stesse aree. Inoltre, i modelli previsti nelle attività del modulo consentono la definizione delle relazioni causa-effetto e quindi dei fattori che governano i processi di attivazione e/o riattivazione dei processi di frana, sia in terra che in roccia. Gli stessi modelli numerici possono anche essere utilizzati per la verifica dell'efficacia di interventi per la mitigazione del rischio di frana. I modelli di propagazione di frane veloci potranno essere impiegati potenzialmente per lo studio delle aree di invasione delle stesse masse di frana e per lo studio delle caratteristiche cinematiche associate. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Le principali tematiche di ricerca oggetto del modulo riguardano lo studio dei princìpi che governano l'innesco e l'evoluzione dei processi franosi attraverso l'indagine condotta mediante applicazione di tecniche di integrazione numerica. Detti metodi numerici infatti consentono il rispetto delle principali equazioni di campo che controllano i fenomeni franosi, quali ad esempio l'equilibrio delle forze in gioco, la congruenza delle deformazioni associate, le relazioni costitutive dei materiali e tutte le condizioni al contorno del problema in studio, sia in termini di forze che di spostamento. Inoltre, gli stessi metodi consentono il pieno controllo del comportamento idraulico dei terreni e delle rocce, attraverso l'implementazione di condizioni che possono essere drenate, non drenate o di pieno accoppiamento della fase solida e di quella fluida. Le stesse metodologie, dunque, possono essere utilizzate in chiave di previsione dei processi di innesco o evoluzione per analisi delle condizioni di pericolosità associate ai processi franosi. (literal)
Competenze
  • Negli anni scorsi presso il CNR-IRPI sono stati sviluppati numerosi modelli numerici per lo studio dei processi di instabilità di versante, sia in terra che in roccia. In particolare, alcuni ricercatori afferenti al modulo hanno condotto analisi con il metodo delle differenze finite (FDM) sull'innesco di frane di prima attivazione indotto da intervento antropico e sulla relativa tempistica di attivazione, analisi FEM (metodo degli elementi finiti) dei processi di riattivazione stagionale di frane lente nei contesti appenninici, analisi FEM per lo studio dell'evoluzione cinematica nel tempo di frane attive mediante ottimizzazione con dati di monitoraggio da satellite ed a terra. Hanno altresì messo a punto modelli numerici basati sul metodo degli elementi distinti per lo studio della stabilità dei fronti in roccia. Altri partecipanti al modulo hanno collaborato alle stesse attività mediante la definizione del comportamento reale delle frane sia mediante la definizione delle caratteristiche geomorfologiche dei processi studiati che attraverso la messa a punto delle caratteristiche cinematiche dei processi mediante dati di monitoraggio a terra e da sensore satellitare. (literal)
Tecnologie
  • Modelli diretti saranno sviluppati prevalentemente con il codice di calcolo PLAXIS, sia in ambito bidimensionale (PLAXIS-2D) che tridimensionale (PLAXIS-3D), mentre i modelli che prevedono ottimizzazione di alcuni parametri di input rispetto alle misure di monitoraggio disponibili saranno sviluppati con il software COMSOL Multiphysics, il quale è dotato di specifiche routine di calcolo per la modellazione inversa. I suddetti metodi sono stati già utilizzati in passato da ricercatori del CNR-IRPI per le finalità su indicate e dovranno essere ulteriormente migliorati e sviluppati per la messa a punto di metodologie di modellazione adeguate rispetto ai differenti casi di studio. In particolare, saranno sviluppati modelli tridimensionali per le frane in studio con l'obiettivo di indagare l'effetto della tridimensionalità nell'evoluzione cinematica degli stessi processi e dedurre mappe di deformazione delle aree in frana, che forniscano indicazioni sulle zone caratterizzate da grado di pericolosità più elevato e sulle tendenze cinematiche possibili. (literal)
Obiettivi
  • I principali obiettivi delle attività scientifiche condotte nell'ambito del modulo riguardano la definizione di tecniche per la simulazione di processi di evoluzione tenso-deformativa dei versanti instabili, sia 2-D che 3-D, con particolare riferimento alla identificazione dell'evoluzione cinematica degli stessi. Ciò consentirà di individuare quali potranno essere i trends cinematici delle varie aree delle frane, anche in una prospettiva di previsione. Altri obiettivi del modulo consistono nella messa a punto di modelli numerici che definiscono le caratteristiche di propagazione di frane veloci (distanza di run-out, velocità, tempo di propagazione), così come nello sviluppo di modelli numerici 3-D per lo studio dei processi di collasso di versanti in roccia. (literal)
Stato dell'arte
  • Negli ultimi anni, l'applicazione dei metodi numerici allo studio dei processi franosi ha avuto uno straordinario impulso dovuto alla disponibilità di apparecchiature di calcolo sempre più potenti e alla diffusione di softwares di natura commerciale o sviluppati in ambito accademico che consentono l'applicazione dei metodi suddetti ad un'ampia gamma di problemi al finito. La letteratura su questo tema è molto vasta e quanto di seguito citato è limitativo. Numerosi lavori documentano come l'applicazione dei modelli numerici allo studio delle frane sia oggigiorno più realtà che sogno virtuale (Duncan, Potts, Griffiths & Lane). Vari autori (Morgenstern, Pasternack & Gao, Cheng et al.) ne descrivono le potenzialità rispetto alle tecniche più convenzionali, quali ad esempio i metodi all'equilibrio limite. Griffiths & Lane (1997) descrivono gli elementi principali necessari ad una corretta impostazione di un'analisi agli elementi finiti. Con riferimento alla modellazione numerica dei processi di propagazione di frane veloci, M. Pastor descrive i princìpi delle tecniche di calcolo di tipo idro-dinamico per la simulazione dei processi di run-out di frane in materiali granulari. (literal)
Tecniche di indagine
  • Nell'ambito delle attività del modulo saranno sviluppati modelli numerici tenso-deformativi di versanti coinvolti in processi di frana lenta con il metodo degli elementi finiti, sia mediante analisi di tipo diretto che inverso. In particolare, saranno condotte analisi FEM per lo studio dei processi di prima attivazione e di riattivazione delle frane nei pendii argillosi indotte dall'aumento dei carichi piezometrici in profondità. Verranno altresì condotte analisi FEM per la simulazione delle caratteristiche cinematiche di frane attive, i cui risultati saranno ottimizzati mediante procedure di modellazione inversa rispetto a dati di monitoraggio nel tempo. Analisi agli elementi finiti ed analisi con il metodo degli elementi distinti verranno svolte per lo studio dei processi di evoluzione tenso-deformativa che conducono al collasso dei fronti in roccia o delle cavità sotterranee in roccia, con particolare riguardo all'influenza che rivestono le discontinuità negli ammassi sui processi di rottura. Per l'analisi dei processi di propagazione di colate in terra verrà applicata il software Flow_SPH, sviluppato dal prof. Pastor presso l'Università di Madrid (literal)
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