Modello numerico di un argine maestro del fiume Po per l'individuazione dei possibili meccanismi di collasso

Il lavoro di tesi eseguito comprende la ricerca sulle problematiche arginali e le tipologie di intervento per la protezione idraulica del territorio. Convenzione n.37/2010 tra AdBPo e Università di Bologna. Campagna di indagini eseguite e caratterizzazione del suolo. Caratterizzazione geologica. Caratterizzazione del modello geotecnico della “sez.6_GU”, che corrisponde alla sezione “S38C” del catasto delle arginature maestre, tramite l’utilizzo delle funzioni di Excel, ed elaborazione dei risultati delle prove con la determinazione dei valori statistici dei vari parametri geotecnici, del livello di falda e delle proprietà fisico-meccaniche dei terreni. Risultati delle prove CPTU U16BR, U17BR e U18BR. Creazione del modello utilizzando dei codici agli elementi finiti Plaxis e GeoStudio per la verifica di stabilità dell’argine soggetto ad una portata di piena con tempo di ritorno Tr pari a 200 anni. Verifiche di stabilità: analisi e risultati della sezione completa per la verifica della stabilità globale; della sezione ridotta per potersi concentrare sul sistema argine-substrato di fondazione (verifica locåale in assenza di area golenale); della sezione ridotta con falda a piano campagna (per individuare se la rottura avviene per il moto di filtrazione oppure per la deformazione del modello soggetto ai carichi agenti); sezione con substrato di fondazione ridotto (per verificare la presenza di eventuali fenomeni di sifonamento modellabili nei software).

Definizione del modello geotecnico e valutazione delle condizioni di stabilità di un tratto di argine del fiume Po, in località Viadana (MN).

Questa tesi si prefigge di analizzare le condizioni di stabilità di un argine inferiore del fiume Po situato presso il comune di Viadana (MN), più volte interessato da eventi franosi che si sono ripetuti con una certa frequenza nel corso degli ultimi anni. L'argomento proposto nella tesi prende spunto dall’esperienza presso il Polo Scientifico e Tecnologico di AIPO a Boretto (RE), nell’ambito del tirocinio formativo, durante il quale ho portato a termine un programma di prove geotecniche su campioni indisturbati prelevati nel sito interessato da fenomeni di instabilità, allo scopo di migliorare le conoscenze sulla risposta meccanica dei terreni arginali e del substrato di fondazione. Utilizzando i risultati delle prove di laboratorio, unitamente alle informazioni provenienti dai sondaggi e dalle prove penetrometriche (CPT/CPTU), è stato possibile innanzitutto identificare le unità stratigrafiche presenti nel sistema arginale e determinarne i parametri meccanici, per poi procedere alla costruzione del modello geotecnico di riferimento per le analisi di stabilità. Pertanto la tesi si pone come obiettivi principali la messa a punto di un modello geotecnico affidabile dell'argine, la verifica della stabilità globale delle scarpate lato fiume e l'individuazione dei fattori scatenanti i fenomeni di scorrimento osservati, nonché la scelta di possibili interventi per la messa in sicurezza delle sponde, valutandone i benefici in termini del fattore di sicurezza ed i relativi costi. L'insieme dei risultati conseguiti in questo studio permette di fornire utili indicazioni a coloro che sono preposti alla manutenzione e messa in sicurezza delle strutture arginali del fiume Po.

Asta medio inferiore del fiume Po: modello matematico per la valutazione delle condizioni di pericolosità idraulica delle aree di pianura

La presente dissertazione illustra lo studio, svolto in ambito di Tesi di Laurea Specialistica, della difesa delle aree di pianura prospicienti il tratto medio inferiore del Fiume Po dalle cosiddette piene al limite della prevedibilità, ovvero quelle aventi intensità al di sopra della quale le procedure di stima statistica perdono di significato a causa della mancanza di eventi osservati confrontabili (Majone, Tomirotti, 2006). In questo contesto si è definito come evento di piena al limite della prevedibiltà un evento con tempo di ritorno pari a cinquecento anni. Lo studio ha necessariamente preso in considerazione e riprodotto attraverso una schematizzazione concettuale le esondazioni all'esterno delle arginature maestre che si verificherebbero in conseguenza ad un evento estremo, quale quello preso in esame, nei comparti idraulici prospicienti l'asta fluviale. Detti comparti sono costituiti dalle zone di pianura latistanti l’asta fluviale, classificate dall'Autorità di Bacino come Fascia C e suddivise in base alla presenza degli affluenti principali del fiume Po e delle principali infrastrutture viarie e ferroviarie situate in tale fascia. Il presente studio persegue l’obiettivo di analizzare alcune politiche di intervento per la mitigazione del rischio alluvionale alternative al sovralzo e ringrosso arginale e ricade all'interno delle linee strategiche individuate dall' AdB-Po per la mitigazione del rischio residuale, ossia quello che permane anche in presenza di opere di difesa progettate e verificate con riferimento ad un ben preciso tempo di ritorno (nel caso in esame Trit = 200 anni). Questa linea di intervento si traduce praticamente individuando sul territorio aree meno "sensibili", in virtù del minor valore o dell'inferiore vulnerabilità dei beni in esse presenti, e dunque adatte ad accogliere i volumi di piena esondabili in occasione di quegli eventi di piena incompatibili con i presidi idraulici preesistenti, le sopra richiamate piene al limite della prevedibilità. L'esondazione controllata dei volumi di piena in tali aree avrebbe infatti il fine di tutelare le aree di maggior pregio, interessate da centri abitati, infrastrutture e beni di vario tipo; tale controllo è da considerarsi auspicabile in quanto sedici milioni di persone abitano la zona del bacino del Po e qui sono concentrati il 55% del patrimonio zootecnico italiano, il 35% della produzione agricola e il 37% delle industrie le quali però sostengono il 46% dei posti di lavoro (fonte AdB-Po). Per questi motivi il Po e il suo bacino sono da considerare come zone nevralgiche per l’intera economia italiana e una delle aree europee con la più alta concentrazione di popolazione, industrie e attività commerciali. Dal punto di vista economico, l’area è strategica per il Paese garantendo un PIL che copre il 40% di quello nazionale, grazie alla presenza di grandi industrie e di una quota rilevante di piccole e medie imprese, nonché d’attività agricole e zootecniche diffuse. Il punto di partenza è stato il modello numerico quasi-bidimensionale precedentemente sviluppato dal DISTART nel 2008 con il software HEC-RAS, la cui schematizzazione geometrica copriva unicamente l'alveo del Fiume (Fasce A e B secondo la denominazione adottata dall'AdB-Po) e le cui condizioni iniziali e al contorno rispecchiavano un evento con tempo di ritorno pari a duecento anni. Si è proceduto dunque alla definizione di nuove sollecitazioni di progetto, volte a riprodurre nelle sezioni strumentate del Po gli idrogrammi sintetici con tempo di ritorno di cinquecento anni messi a punto dal D.I.I.A.R. (Dipartimento di Ingegneria Idraulica, Ambientale e del Rilevamento, DIIAR, 2001) del Politecnico di Milano. Il modello stesso è stato poi aggiornato e considerevolmente modificato. Il risultato consiste in un nuovo modello matematico idraulico di tipo quasi-bidimensionale che, attraverso una schematizzazione concettuale, riproduce il comportamento idraulico in occasione di eventi di piena al limite della prevedibilità per tutte e tre le Fasce Fluviali considerate nel Piano stralcio per l’Assetto Idrogeologico redatto dall'AdB-Po (Fasce A, B C, v. PAI, 1999). I diversi comparti idraulici in cui può essere suddivisa la Fascia C sono stati inseriti nel modello e geometricamente descritti in termini di curve di riempimento, ricavate a partire dal DTM del Bacino del Po attraverso opportune elaborazioni in ambiente GIS (Geographic Information System). Una volta predisposto il modello sono state condotte due tipologie di simulazioni. Una prima serie è stata volta alla definizione in maniera iterativa dei punti critici degli argini maestri, ovvero quelli nei quali si prevedeva avvenisse la tracimazione, e alla modellazione in essi della formazione di brecce, decisive per una corretta riproduzione del fenomeno di esondazione all'esterno delle arginature maestre nell'attuale configurazione; bisogna infatti considerare che le arginature maestre vengono comunemente progettate con il solo fine di contenere le portate di piena in alveo, e che dunque un’eventuale tracimazione induce fenomeni erosivi che solitamente portano all'apertura di una breccia nel manufatto (rotta arginale). Un'ulteriore simulazione ha permesso di valutare l'evoluzione del fenomeno sotto l'ipotesi di un intervento di consolidamento degli argini maestri nei tratti critici (interessati dai sormonti) e quindi di rotta arginale impedita. Il confronto dei risultati ottenuti ha evidenziato i benefici associati ad una laminazione controllata dell'evento di piena all'esterno delle arginature. In questo contesto il termine "controllata" è esclusivamente associato al fenomeno di rotta arginale, come detto inibita per lo scenario ipotetico. I benefici di tale controllo si hanno in termini di volumi, di portate esondate e di tiranti attesi nei comparti idraulici. Lo strumento modellistico predisposto nell’ambito della Tesi di Laurea Specialistica si presta ad essere utilizzato a supporto dell’identificazione su ampia scala delle zone della Fascia C meno “sensibili”, in quanto meno vulnerabili ai fenomeni di allagamento. Questo ulteriore passaggio costituisce il punto di partenza per delineare le strategie ottimali di laminazione controllata in Fascia C degli eventi al limite della prevedibilità al fine della riduzione del rischio idraulico nelle aree di pianura prospicienti il Po, aspetto che verrà affrontato in sviluppi successivi del presente lavoro.

Difesa idraulica delle aree di pianura dalle piene al limite della prevedibilità: asta medio inferiore del Fiume Po

La Tesi si occupa dello studio della gestione delle piene al limite della prevedibilità nel tratto medio inferiore del Fiume Po attraverso una laminazione controllata in Fascia C, in linea con le linee strategiche dell'AdB-Po. A tal fine è stato realizzato un modello numerico idraulico quasi-bidimensionale del tratto studiato del Fiume con il software HEC-RAS, comprendente le Fasce A, B e C, calibrato per un tempo di ritorno di 500 anni. Sono state condotte delle simulazioni sotto l'ipotesi di argini erodibili con conseguente formazione di brecce nei punti soggetti a tracimazione (situazione attuale), e sotto l'ipotesi di argini inerodibili (teorico intervento di rivestimento e consolidamento dei tratti arginali interessati da sormonto); attraverso il confronto dei risultati si è dimostrata l'utilità della laminazione controllata in Fascia C e l'auspicabilità di nuovi studi volti all'individuazione di aree poco sensibili in cui convogliare i volumi idrici esondati.

Uso di misure idrometriche satellitari per la calibrazione dei modelli numerico-idraulici: il caso del fiume Po

Questo lavoro di tesi tratta l'utilizzo di misure idrometriche satellitari in combinazione con le misure idrometriche tradizionali per la calibrazione dei modelli numerico-idraulici. Il presente elaborato riguarda la calibrazione di un complesso modello idraulico del Fiume Po implementato in HEC-RAS. Il caso di studio è un tratto del Fiume Po lungo circa 131 km, che va dalla sezione relativa alla stazione idrometrica di Borgoforte e termina all'incile del Po di Goro. Le Analisi numeriche svolte si suddividono in tre gruppi, il primo sfrutta l'impiego di soli dati idrometrici tradizionali, il secondo l'impiego di soli dati idrometrici satellitari e il terzo l'impiego di entrambe le tipologie di dati idrometrici.

La citta, il percorso, il fiume. Un centro culturale per le immagini del fiume Po a Piacenza.

La penisola italiana essendo quasi totalmente avvolta dal Mar Mediterraneo ha sviluppato e potenziato nei secoli le connessioni via mare, dimenticando il rapporto con le acque interne. In seguito la modernità ha disseminato il territorio di strade e ferrovie riducendo ulteriormente il valore dei percorsi fluviali come elementi di collegamento, negando l’antico rapporto che univa l’uomo, la città, con il corso d’acqua.

Il modello geotecnico delle strutture arginali in sponda sinistra del Po presso Dosolo (MN) per la verifica delle condizioni di stabilità delle scarpate lato fiume.

Nell’Ottobre 2015, a seguito di alcuni fenomeni di instabilità avvenuti in corrispondenza delle scarpate lato fiume in sponda sinistra del Po, nel tratto compreso tra Casalmaggiore (CR) e Dosolo (MN), l'Agenzia Interregionale per il fiume Po (AIPO) ha commissionato un' estesa campagna di indagini geognostiche. L'ampio database reso disponibile è stato utilizzato in questa tesi di laurea con l'obiettivo di sviluppare, in collaborazione con i tecnici AIPO, una valida procedura per analizzare i dissesti delle scarpate lato fiume in questo tratto del Po e per identificare gli eventuali interventi di messa in sicurezza più idonei. Lo studio proposto si prefigge i seguenti obiettivi: • La caratterizzazione geotecnica dei terreni costituenti le strutture arginali in esame ed il relativo substrato; • La definizione del modello geotecnico del sistema arginale; • La valutazione della stabilità dell'argine; • La individuazione degli interventi di messa in sicurezza delle scarpate. Attraverso l’elaborazione delle prove CPTU è stato possibile determinare la stratigrafia e i parametri geotecnici delle diverse unità stratigrafiche presenti nelle sezioni considerate significative. Sono state quindi effettuate una serie di analisi con il metodo all'equilibrio limite, verificando la stabilità delle scarpate in condizioni di magra ordinaria e in condizioni di rapido svaso. Tenendo conto che la maggior parte dei tratti analizzati aveva già manifestato segni di instabilità o comunque indicava condizioni prossime al limite dell’equilibrio, si è proceduto in "back analysis" alla individuazione dei parametri di resistenza al taglio operativi, tenendo conto della variabilità degli stessi nell'ambito di una stessa unità stratigrafica. Infine tenendo presente i criteri di progetto degli interventi normalmente adottati sulle sponde, è stato possibile procedere alla modellazione di interventi mirati ad aumentare il fattore di sicurezza, analizzandone i relativi vantaggi e svantaggi.

Identificazione dei parametri meccanici del ponte metallico ferroviario a Pontelagoscuro attraverso un algoritmo di ottimizzazione di tipo evolutivo

Nel periodo storico compreso tra la seconda metà dell’Ottocento ed il primo ventennio del Novecento, un’ondata di innovazioni tecnologiche e scientifiche, unitamente all’espansione dell’industria siderurgica e la conseguente diffusione del ferro come materiale da costruzione, portarono alla realizzazione di strutture metalliche grandiose. Ciò fu reso possibile grazie ad una fervida attività di ricerca che permise la risoluzione di problematiche tecniche di assoluto rilievo, come la progettazione di grandi coperture o di ponti destinati al traffico ferroviario in grado di coprire luci sempre maggiori. In questo contesto si sviluppò il sistema della chiodatura come metodo di unione per il collegamento rigido e permanente dei vari elementi che compongono la struttura portante metallica. Ad oggi il sistema della chiodatura è stato quasi completamente sostituito dalla bullonatura di acciaio ad alta resistenza e dalla saldatura, che garantendo gli stessi standard di affidabilità e sicurezza, offrono vantaggi in termini economici e di rapidità esecutiva. Tuttavia lo studio delle unioni chiodate continua a rivestire notevole importanza in tutti quei casi in cui il progettista debba occuparsi di restauro, manutenzione o adeguamento di strutture esistenti che in molti casi continuano ad assolvere le funzioni per le quali erano state progettate. La valutazione delle strutture esistenti, in particolare i ponti, ha assunto un’importanza sempre crescente. L’incremento della mobilità e del traffico sulle infrastrutture di trasporto ha portato ad un incremento contemporaneo di carichi e velocità sui ponti. In particolare nelle ferrovie, i ponti rappresentano una parte strategica della rete ferroviaria e in molti casi, essi hanno già raggiunto i loro limiti di capacità di traffico, tanto è vero che l’età media del sessanta percento dei ponti metallici ferroviari è di un centinaio di anni. Pertanto i carichi di servizio, i cicli di sforzo accumulati a causa dei carichi da traffico e il conseguente invecchiamento delle strutture esistenti, inducono la necessità della valutazione della loro rimanente vita a fatica. In questo contesto, la valutazione delle condizioni del ponte e le conseguenti operazioni di manutenzione o sostituzione diventano indispensabili. Negli ultimi decenni sono state effettuate numerose iniziative di ricerca riguardo il comportamento a fatica dei ponti ferroviari chiodati, poiché le passate esperienze hanno mostrato che tali connessioni sono suscettibili di rotture per fatica. Da uno studio dell’ASCE Committee on Fatigue and Fracture Reliability è emerso che l’ottanta, novanta percento delle crisi nelle strutture metalliche è da relazionarsi ai fenomeni di fatica e frattura. Il danno per fatica riportato dai ponti chiodati è stato osservato principalmente sulle unioni tra elementi principali ed è causato dagli sforzi secondari, che si possono sviluppare in diverse parti delle connessioni. In realtà riguardo la valutazione della fatica sui ponti metallici chiodati, si è scoperto che giocano un ruolo importante molti fattori, anzitutto i ponti ferroviari sono soggetti a grandi variazioni delle tensioni indotte da carichi permanenti e accidentali, così come imperfezioni geometriche e inclinazioni o deviazioni di elementi strutturali comportano sforzi secondari che solitamente non vengono considerati nella valutazione del fenomeno della fatica. Vibrazioni, forze orizzontali trasversali, vincoli interni, difetti localizzati o diffusi come danni per la corrosione, rappresentano cause che concorrono al danneggiamento per fatica della struttura. Per questo motivo si studiano dei modelli agli elementi finiti (FE) che riguardino i particolari delle connessioni e che devono poi essere inseriti all’interno di un modello globale del ponte. L’identificazione degli elementi critici a fatica viene infatti solitamente svolta empiricamente, quindi è necessario che i modelli numerici di cui si dispone per analizzare la struttura nei particolari delle connessioni, così come nella sua totalità, siano il più corrispondenti possibile alla situazione reale. Ciò che ci si propone di sviluppare in questa tesi è un procedimento che consenta di affinare i modelli numerici in modo da ottenere un comportamento dinamico analogo a quello del sistema fisico reale. Si è presa in esame la seguente struttura, un ponte metallico ferroviario a binario unico sulla linea Bologna – Padova, che attraversa il fiume Po tra le località di Pontelagoscuro ed Occhiobello in provincia di Ferrara. Questo ponte fu realizzato intorno agli anni che vanno dal 1945 al 1949 e tra il 2002 e il 2006 ha subito interventi di innalzamento, ampliamento ed adeguamento nel contesto delle operazioni di potenziamento della linea ferroviaria, che hanno portato tra l’altro all’affiancamento di un nuovo ponte, anch’esso a singolo binario, per i convogli diretti nella direzione opposta. Le travate metalliche del ponte ferroviario sono costituite da travi principali a traliccio a gabbia chiusa, con uno schema statico di travi semplicemente appoggiate; tutte le aste delle travi reticolari sono formate da profilati metallici in composizione chiodata. In particolare si è rivolta l’attenzione verso una delle travate centrali, della quale si intende affrontare un’analisi numerica con caratterizzazione dinamica del modello agli Elementi Finiti (FEM), in modo da conoscerne lo specifico comportamento strutturale. Ad oggi infatti l’analisi strutturale si basa prevalentemente sulla previsione del comportamento delle strutture tramite modelli matematici basati su procedimenti risolutivi generali, primo fra tutti il Metodo agli Elementi Finiti. Tuttavia i risultati derivanti dal modello numerico possono discostarsi dal reale comportamento della struttura, proprio a causa delle ipotesi poste alla base della modellazione. Difficilmente infatti si ha la possibilità di riscontrare se le ipotesi assunte nel calcolo della struttura corrispondano effettivamente alla situazione reale, tanto più se come nella struttura in esame si tratta di una costruzione datata e della quale si hanno poche informazioni circa i dettagli relativi alla costruzione, considerando inoltre che, come già anticipato, sforzi secondari e altri fattori vengono trascurati nella valutazione del fenomeno della fatica. Nel seguito si prenderanno in esame le ipotesi su masse strutturali, rigidezze dei vincoli e momento d’inerzia delle aste di parete, grandezze che caratterizzano in particolare il comportamento dinamico della struttura; per questo sarebbe ancora più difficilmente verificabile se tali ipotesi corrispondano effettivamente alla costruzione reale. Da queste problematiche nasce l’esigenza di affinare il modello numerico agli Elementi Finiti, identificando a posteriori quei parametri meccanici ritenuti significativi per il comportamento dinamico della struttura in esame. In specifico si andrà a porre il problema di identificazione come un problema di ottimizzazione, dove i valori dei parametri meccanici vengono valutati in modo che le caratteristiche dinamiche del modello, siano il più simili possibile ai risultati ottenuti da elaborazioni sperimentali sulla struttura reale. La funzione costo è definita come la distanza tra frequenze proprie e deformate modali ottenute dalla struttura reale e dal modello matematico; questa funzione può presentare più minimi locali, ma la soluzione esatta del problema è rappresentata solo dal minimo globale. Quindi il successo del processo di ottimizzazione dipende proprio dalla definizione della funzione costo e dalla capacità dell’algoritmo di trovare il minimo globale. Per questo motivo è stato preso in considerazione per la risoluzione del problema, l’algoritmo di tipo evolutivo DE (Differential Evolution Algorithm), perché gli algoritmi genetici ed evolutivi vengono segnalati per robustezza ed efficienza, tra i metodi di ricerca globale caratterizzati dall’obiettivo di evitare la convergenza in minimi locali della funzione costo. Obiettivo della tesi infatti è l’utilizzo dell’algoritmo DE modificato con approssimazione quadratica (DE-Q), per affinare il modello numerico e quindi ottenere l’identificazione dei parametri meccanici che influenzano il comportamento dinamico di una struttura reale, il ponte ferroviario metallico a Pontelagoscuro.

Sull'impiego di dem globali e dati satellitari nella modellazione numerico-idraulica dei corsi d'acqua

Lo studio ha consentito la valutazione delle potenzialità di utilizzo di informazioni telerilevate da satellite, al fine di ottenere un DEM utilizzabile per simulazioni numerico - idrauliche. In particolare è stato utilizzato il DEM a scala globale fornito dalla missione SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), per acquisire la geometria del tratto medio inferiore del fiume Po. Ottenuto l'andamento plano altimetrico del corso d'acqua sono state effettuate simulazioni in condizioni di piena eccezionale e deflusso medio allo scopo di valutarne affidabilità e precisione. Vengono infine proposti tre metodi di modifica della geometria, fornita da SRTM, in modo tale da migliorare la rappresentazione dell'alveo di magra ed incrementarne le performance.

Studio del comportamento idraulico dell'asta medio-valliva del Po ai fini della gestione delle risorse idriche

La gestione delle risorse idriche è una questione fondamentale da affrontare alla luce di problemi sempre più attuali quali la scarsità della risorsa in determinati periodi dell’anno e la tutela dei corpi idrici rispetto ad approvvigionamenti che ne possano intaccare il naturale equilibrio. In effetti, gli ultimi anni sono stati caratterizzati da episodi di magra piuttosto rilevanti e con pochi paragoni nell’intero novecento...