Managing Debris Flow Risks

Debris flows represent a widespread threat to villages and small towns in the Swiss Alps. For many centuries people “managed” such risks by trying to avoid hazardous areas. However, major debris flow and flood events in the last 25 years have revealed that the degree of freedom to engage in this type of risk management has substantially decreased. This became especially evident during the 1999 disasters in a number of places in Switzerland. The winter of that year was unusually wet. In February heavy snowfall triggered destructive avalanches. In May high temperatures caused heavy snowmelt, with excessive rainfall contributing more water to the already saturated soils. Landslides, debris flows and floods were triggered in many locations, including Sörenberg. Hazard prevention and disaster management have a long tradition in Switzerland, although an integrated approach to risk management is rather new. Only in recent years have methods and tools been developed to assess hazards, define protection goals, and implement disaster reduction measures. The case of Sörenberg serves as an example of how today's approaches to disaster reduction are implemented at the local level.

Debris flow magnitudes: a global catalog

The episodic occurrence of debris flow events in response to stochastic precipitation and wildfire events makes hazard prediction challenging. Previous work has shown that frequency-magnitude distributions of non-fire-related debris flows follow a power law, but less is known about the distribution of post-fire debris flows. As a first step in parameterizing hazard models, we use frequency-magnitude distributions and cumulative distribution functions to compare volumes of post-fire debris flows to non-fire-related debris flows. Due to the large number of events required to parameterize frequency-magnitude distributions, and the relatively small number of post-fire event magnitudes recorded in the literature, we collected data on 73 recent post-fire events in the field. The resulting catalog of 988 debris flow events is presented as an appendix to this article. We found that the empirical cumulative distribution function of post-fire debris flow volumes is composed of smaller events than that of non-fire-related debris flows. In addition, the slope of the frequency-magnitude distribution of post-fire debris flows is steeper than that of non-fire-related debris flows, evidence that differences in the post-fire environment tend to produce a higher proportion of small events. We propose two possible explanations: 1) post-fire events occur on shorter return intervals than debris flows in similar basins that do not experience fire, causing their distribution to shift toward smaller events due to limitations in sediment supply, or 2) fire causes changes in resisting and driving forces on a package of sediment, such that a smaller perturbation of the system is required in order for a debris flow to occur, resulting in smaller event volumes.

Eulerian-Lagrangian two phase debris flow model

The main objective of this work is to develop a quasi three-dimensional numerical model to simulate stony debris flows, considering a continuum fluid phase, composed by water and fine sediments, and a non-continuum phase including large particles, such as pebbles and boulders. Large particles are treated in a Lagrangian frame of reference using the Discrete Element Method, the fluid phase is based on the Eulerian approach, using the Finite Element Method to solve the depth-averaged Navier-Stokes equations in two horizontal dimensions. The particle’s equations of motion are in three dimensions. The model simulates particle-particle collisions and wall-particle collisions, taking into account that particles are immersed in a fluid. Bingham and Cross rheological models are used for the continuum phase. Both formulations provide very stable results, even in the range of very low shear rates. Bingham formulation is better able to simulate the stopping stage of the fluid when applied shear stresses are low. Results of numerical simulations have been compared with data from laboratory experiments on a flume-fan prototype. Results show that the model is capable of simulating the motion of big particles moving in the fluid flow, handling dense particulate flows and avoiding overlap among particles. An application to simulate debris flow events that occurred in Northern Venezuela in 1999 shows that the model could replicate the main boulder accumulation areas that were surveyed by the USGS. Uniqueness of this research is the integration of mud flow and stony debris movement in a single modeling tool that can be used for planning and management of debris flow prone areas.

Eulerian-Lagrangian Two Phase Debris Flow Model

The main objective of this work is to develop a quasi three-dimensional numerical model to simulate stony debris flows, considering a continuum fluid phase, composed by water and fine sediments, and a non-continuum phase including large particles, such as pebbles and boulders. Large particles are treated in a Lagrangian frame of reference using the Discrete Element Method, the fluid phase is based on the Eulerian approach, using the Finite Element Method to solve the depth-averaged Navier–Stokes equations in two horizontal dimensions. The particle’s equations of motion are in three dimensions. The model simulates particle-particle collisions and wall-particle collisions, taking into account that particles are immersed in a fluid. Bingham and Cross rheological models are used for the continuum phase. Both formulations provide very stable results, even in the range of very low shear rates. Bingham formulation is better able to simulate the stopping stage of the fluid when applied shear stresses are low. Results of numerical simulations have been compared with data from laboratory experiments on a flume-fan prototype. Results show that the model is capable of simulating the motion of big particles moving in the fluid flow, handling dense particulate flows and avoiding overlap among particles. An application to simulate debris flow events that occurred in Northern Venezuela in 1999 shows that the model could replicate the main boulder accumulation areas that were surveyed by the USGS. Uniqueness of this research is the integration of mud flow and stony debris movement in a single modeling tool that can be used for planning and management of debris flow prone areas.

Modellazione numerica del flusso e del trasporto per l’applicazione integrata di geotermia a bassa entalpia e bonifica

L’obbiettivo che si pone questo lavoro è quello di combinare in un unico impianto due tecnologie utilizzate per scopi differenti (impianto integrato): un impianto di climatizzazione geotermico a bassa entalpia di tipo open-loop ed un impianto di bonifica delle acque di falda di tipo Pump&Treat. Il sito selezionato per lo studio è ubicato in via Lombardia, nell’area industriale di Ozzano dell’Emilia (BO), ed è definito “Ex stabilimento Ot-Gal”: si tratta di una galvanotecnica con trattamento di metalli, dismessa alla fine degli anni ’90. Durante una precedente fase di caratterizzazione del sito condotta dalla ditta Geo-Net Srl, sono stati rilevati in falda dei superamenti delle CSC previste dal D.lgs. 152/2006 di alcuni contaminanti, in particolare Tricloroetilene (TCE) e 1.1-Dicloroetilene (1.1-DCE). Successivamente, nel 2010-2011, Geo-net Srl ha eseguito una parziale bonifica delle acque di falda attraverso l’utilizzo di un impianto Pump and Treat. Grazie a tutti i dati pregressi riguardanti i monitoraggi, le prove e i sondaggi, messi a disposizione per questo studio da Geo-Net Srl, è stato possibile eseguire una sperimentazione teorica, in forma di modellazione numerica di flusso e trasporto, dell’impianto integrato oggetto di studio. La sperimentazione è stata effettuata attraverso l’utilizzo di modelli numerici basati sul codice di calcolo MODFLOW e su codici ad esso comunemente associati, quali MODPATH e MT3DMS. L’analisi dei risultati ottenuti ha permesso di valutare in modo accurato l’integrazione di queste due tecnologie combinate in unico impianto. In particolare, la bonifica all’interno del sito avviene dopo 15 dalla messa in attività. Sono stati anche confrontati i costi da sostenere per la realizzazione e l’esercizio dell’impianto integrato rispetto a quelli di un impianto tradizionale. Tale confronto ha mostrato che l’ammortamento dell’impianto integrato avviene in 13 anni e che i restanti 7 anni di esercizio producono un risparmio economico.

Strategie di modellazione numerica di interventi per la riqualificazione di un edificio in muratura mediante cappotto sismico

Il lavoro svolto in questa tesi si colloca nel contesto della riqualificazione di una struttura in muratura portante esistente tramite cappotto sismico. Ha come oggetto l’analisi della sua risposta meccanica, con particolare attenzione alla modellazione numerica. L’immobile oggetto di studio è edificato nella zona costiera del comune di San Benedetto del Tronto (AP). La prima fase di analisi consiste in un approfondito percorso di conoscenza della struttura, che riguarda un attento studio storico-critico dell’evoluzione strutturale seguito, poi, da un’indagine conoscitiva della geometria della struttura e delle caratteristiche meccaniche dei materiali costituenti. Per migliorare il comportamento dell’edificio sotto carichi sismici, si sceglie di intervenire tramite la realizzazione di un’epidermide sismo-resistente, che deve essere correttamente modellata congiuntamente alla muratura portante. Viene proposta una prima modellazione semplificata nella quale le pareti del cappotto vengono implementate mediante l’utilizzo di elementi bidimensionali, mentre la muratura esistente viene considerata solamente come massa sismica. Nella seconda strategia di modellazione, seppure si mantenga la stessa impostazione per la schematizzazione del cappotto sismico, si avanza l’ipotesi di discretizzare la struttura esistente mediante il metodo a telaio equivalente, per valutare così la ripartizione delle azioni sismiche tra cappotto e muratura. Vengono eseguite tutte le verifiche necessarie per la valutazione di fattibilità dell’opera, esaminando anche i livelli di sicurezza raggiunti per lo stato di progetto. Con entrambe le strategie si raggiunge un’ottima riqualificazione dell’immobile.

Modellazione numerica del sistema fognario di parte della città di Ravenna

La presente tesi di laurea vuole affrontare il tema degli allagamenti in ambito urbano e si inserisce all’interno di un progetto già in essere riguardante la realizzazione di un modello numerico del sistema di drenaggio della città di Ravenna. L'obbiettivo è la modellazione in 2D delle aree della città del comparto nord caratterizzate da eventi di Pluvial flooding con particolare riguardo ai siti di interesse archeologico facenti parte del patrimonio UNESCO. Il caso di studio, inoltre, è ripreso dal programma SHELTER (Sustainable Historic Environments hoListic reconstruction through Technological Enhancement and community based Resilience) finanziato nell’ambito del programma per la ricerca europea Horizon 2020. Nel presente elaborato verranno dunque simulati i vari scenari idraulici caratterizzati da eventi di precipitazione riferiti a tempi di ritorno differenti al fine di analizzare la risposta del comparto nord della rete di Ravenna, per valutarne le critica tramite l’utilizzo del software EPA SWMM. I risultati ottenuti saranno dunque rielaborati per essere utilizzati nella realizzazione di carte tematiche grazie all’utilizzo del software GIS. Tali carte permetteranno quindi di valutare le aree maggiormente soggette a fenomeni di allagamento. I risultati verranno infine analizzati attraverso il software di modellazione bidimensionale HEC-RAS riuscendo così a comprendere meglio il fenomeno dell’allagamento urbano. Verrà posta una particolare attenzione nelle zone dove sono presenti i siti facenti parte del patrimonio UNESCO: Basilica di San Vitale e Battistero Ariani. I risultati ottenuti dalla modellazione, permetteranno infine, di valutare le metodologie e gli approcci per ridurre i deflussi superficiali durante la precipitazione e, quindi le portate in fognatura, andando così a garantire una protezione idraulica e ambientale del territorio aumentando la resilienza del comparto urbano.

Valutazione del rischio ed analisi di affidabilità della modellazione numerica del comportamento espansivo di terreni argillosi

Il lavoro di tesi presentato ha come obiettivo la valutazione delle potenzialità del metodo di risk assessment per la stima dei rischi nel campo della progettazione geotecnica. In particolare, è stata approfondita l’applicazione dei metodi di trattamento dell’incertezza alla modellazione numerica di terreni caratterizzati da alcune tipologie di argille, il cui comportamento, al variare del grado di saturazione, può oscillare tra ritiro e rigonfiamento, provocando dissesti alle strutture sovrastanti. Ai modelli numerici creati sono stati associati dei modelli probabilistici sui quali sono state eseguite delle analisi di affidabilità associate a parametri del terreno opportunamente scelti in funzione dell’influenza sul meccanismo espansivo del suolo. È stata scelta come soglia, e dunque come stato limite, per il calcolo della probabilità di fallimento, il movimento massimo caratteristico del terreno ottenuto applicando il metodo di Mitchell per i due fenomeni. Questo metodo è adottato nelle Australian Standards, uno dei riferimenti scientifici più rilevanti per la progettazione su suoli espansivi, nonché normativa vigente in Australia, territorio ricco di argille attive. Le analisi hanno permesso di condurre alcune riflessioni circa la conservatività dei termini da normativa, fondati su approcci di carattere puramente deterministico, mostrando come a piccole variazioni plausibili degli input nel modello numerico, si possano ottenere variazioni discutibili nei risultati, illustrando così i vantaggi che comporta il trattamento dell’incertezza sui dati.

Progettazione e modellazione numerica di un elemento strutturale per il telaio dell’auto solare Emilia 5

Nel seguente elaborato viene ripercorso il lavoro svolto per la progettazione di un box batterie in materiale composito e in particolare il relativo sistema di fissaggio al telaio che verrà utilizzato per l’auto solare Emilia 5. Questo prototipo di veicolo, che viene sviluppato dai membri del team Onda Solare presso l’azienda Metal TIG a Castel San Pietro Terme (BO), è un’auto completamente elettrica che sfrutta l’energia solare attraverso pannelli fotovoltaici e la cui propulsione è garantita dalla sola energia accumulata nelle batterie. Emilia 5 gareggerà all’evento World Solar Challenge 2023 in Australia, competizione riservata alle auto solari che vede impegnati teams da tutto il mondo. L’elaborato mostra inizialmente la modellazione geometrica tridimensionale delle parti sviluppata attraverso il software Solidworks, analizzandone i dettagli funzionali. In seguito, tramite il software Ansys Workbench, vengono eseguite simulazioni agli elementi finiti verificando che i componenti, considerati in alluminio, rispondano correttamente ai carichi imposti. Per ultimo, vengono menzionati i materiali compositi in fibra di carbonio e si analizza la sequenza di laminazione relativa alla scatola delle batterie. I risultati ottenuti saranno utilizzati dal team Onda Solare come punto di riferimento per la realizzazione dei componenti di Emilia 5.