RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Approcci metodologici innovativi per lo studio dell'instabilità dei versanti in aree ad elevata sismicità

Università di riferimento

Politecnico di BARI - INGEGNERIA CIVILE ED AMBIENTALE - BARI(BA)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Claudio Ferdinando CHERUBINI

Descrizione

Il lavoro di ricerca che si intende svolgere riguarda lo studio del comportamento dei pendii naturali sottoposti a forze dinamiche generate da eventi sismici, in termini di spostamenti e di stati tensionali indotti. L'interesse a trattare tale problematica nasce dall'attenzione che in Italia è stata rivolta al problema della messa in sicurezza di territori ad elevato rischio sismico. Infatti l'Ordinanza 3274 accogliendo la linea dell'Eurocodice 8 ha introdotto la nuova classificazione sismica dell'intero territorio nazionale lasciando tuttavia irrisolti una serie di aspetti metodologici legati alle verifiche di stabilità sismica di versanti presenti in aree abitate. L'interesse dell'unità di ricerca è quindi rivolto a quei siti strategici ai fini di protezione civile dove lo studio di stabilità dinamica dei versanti sarà finalizzato ad approfondire le questioni che scientificamente sono ancora in via di definizione. L'approccio ad un problema così complesso richiede diverse fasi di lavoro che verranno condotte in sequenza temporale. In una prima fase si intende, sulla base dell'esperienza maturata in seno al progetto VEL promosso dalla regione toscana e della base di dati di caratterizzazione dinamiche dei territori toscani ad alta sismicità, selezionare i casi reali da analizzare. Inoltre data la vastità dei problemi e la varietà degli ambienti geologici, l'Unità di Ricerca del Politecnico di Bari selezionerà e caratterizzerà aree in frana di particolare interesse sia in Basilicata che nel Sub-Appennino dauno. Verranno indagate le sismicità storiche delle aree oggetto di studio al fine di comprendere se nella zona coinvolta dall'evento franoso sono preponderanti i meccanismi di near field ovvero di far field. Alla luce di questi studi iniziali si procederà ad una prima ricostruzione dei possibili movimenti di massa condotta mediante analisi numeriche preliminari. In tale fase si applicheranno i metodi dell'equilibrio limite per valutare i fattori di sicurezza pseudo-statici. Ulteriori analisi comporteranno la previsione degli spostamenti indotti da quegli eventi sismici che nelle diverse aree risulteranno più significativi in termini di durata, accelerazione di picco, magnitudo e contenuto in frequenze. Gli spostamenti permanenti verranno calcolati mediante il metodo di Newmark e successive modifiche. In questa prima fase di analisi numeriche si cercherà di valutare anche l'incidenza della variabilità delle azioni sismiche e delle caratteristiche fisico-meccaniche dei terreni sugli spostamenti massimi e minimi che saranno determinati.
Nel corso di questa prima fase di studio inoltre si metteranno in relazione gli spostamenti permanenti con i fattori di sicurezza calcolati per verificare la predittività, nei diversi contesti geo-morfologici e sismici, dell'approccio pseudo-statico. Quindi si passerà ad una seconda fase di studio in cui si cercherà di indagare lo stato tensionale indotto dalla scossa sismica per i casi reali considerati. Prendere in esame diversi casi di versanti, in condizioni analoghe, sarà utile per desumere il contributo di fattori stabilizzanti/instabilizzanti che l'evento sismico enfatizza o annulla. Nelle analisi numeriche che saranno condotte in questa fase saranno impiegati codici di calcolo che implementano modelli costitutivi avanzati. Gli spostamenti calcolati in termini di sforzi totali ed in termini di sforzi efficaci saranno confrontati con i valori reali registrati in sito. Anche in questa seconda fase si procederà a studiare la sensitività del sistema versante ad alcune grandezze in gioco quale l'altezza di falda, l'accelerazione di picco dell'input sismico, gli spessori dei depositi superficiali e le sovrapressioni interstiziali indotte. Sarà anche analizzata con attenzione la fase post-sismica per comprendere l'effetto che il ritorno alle condizioni di equilibrio statico tensionale provoca sulla stabilità del pendio analizzato. Infine si condurranno simulazioni del fenomeno di instabilità sismica mediante approcci statistici. Tali indagini necessiteranno di implementazione di algoritmi di calcolo dei momenti di primo e second'ordine delle funzioni densità di probabilità delle tensioni e degli spostamenti da calcolare.
Infine, si cercherà di interpretare l'evoluzione della stabilità/instabilità dinamica del versante in studio mediante approcci alternativi agli approcci stocastici quali la logica Fuzzy o le "Reti neurali". In questa fase, infatti, gli studi di sensitività condotti in precedenza potranno risultare di notevole aiuto nell'identificare quei parametri chiave che nell'evoluzione del modello geometrico e meccanico del versante giocano un ruolo fondamentale. Infatti lo scopo di tutte le analisi condotte nelle diverse fasi del lavoro di ricerca proposto sarà quello di enucleare dalla complessità delle interazioni tra le variabili considerate nel fenomeno di instabilità dinamica, quelle condizioni tensionali e deformative che conducono al collasso.
I compiti dell'unità di ricerca del Politecnico di Bari, quindi ,consisteranno essenzialmente in:
- Definizione accurata dello stato dell'arte sull'instabilità dei pendii sotto sollecitazioni sismiche con particolare riferimento ai modelli di calcolo disponibili, alle problematiche relative alle resistenze effettivamente in gioco ed alle sollecitazioni agenti.
- Utilizzo di modelli di calcolo pseudo-statici all'equilibrio limite, di tipo cinematico e dinamici agli elementi finiti da applicare a casi reali. Le analisi saranno condotte a due livelli.
Un primo livello di valutazione della rispondenza delle previsioni numeriche ai fenomeni registrati sperimentalmente. A questo livello si condurranno studi per valutare incertezze e sensitività dei risultati numerici ottenuti rispetto ai parametri di input forniti dalle prove in sito e in laboratorio fornite anche dalle altre U.O.
Un secondo livello di analisi sarà mirato a prevedere lo stato tensionale che l'evento sismico induce nel versante per cercare di risalire alle condizioni di stato limite di instabilità.
A tal fine potranno essere utilizzati programmi di valutazione della stabilità dinamica in condizioni di deformazioni piane ossia bidimensionali quali il Quake (GeoStudio2004), Flac dinamico, Dynaflow, Abaqus, codici elaborati dalla U.O..
Le attività dell'unità di ricerca, infine, possono essere sintetizzate mediante le seguenti fasi:
- Indagine critica sui valori limiti di stabilità in termini di fattori di sicurezza, spostamenti, tensioni efficaci e tensioni totali.
- Implementazione di un codice di calcolo in grado di definire la sicurezza di un pendio sia in termini di coefficienti di sicurezza sia in termini di spostamenti mediante l'implementazione di un approccio stocastico. In tal modo sarà possibile calcolare la pericolosità associata all'instabilizzazione dinamica dei versanti.
- Al fine di prevedere l'evoluzione del comportamento di un versante instabile anche nella fase post-sismica si intendono utilizzare approcci non convenzionali tipo Fuzzy e Reti neurali.
- La disponibilità da parte delle altre U.O. di dati di monitoraggio in continuo, consentirà di effettuare quei confronti fra modelli e comportamenti reali necessari per una effettiva validazione delle simulazioni numeriche individuandone i campi di applicazione in relazione a realtà tipiche di ambienti geologici differenti.