Frane di crollo e caduta massi: modellazione numerica 3D e valutazione della pericolosità

La modellazione numerica delle frane di crollo e della caduta massi a fini ingegneristici (progettazione delle opere di difesa) e pianificatori (valutazione della pericolosità) è un compito difficile, a causa dell’incertezza introdotta dalla scarsa conoscenza dei fenomeni fisici coinvolti, dalla variabilità spaziale dei parametri, dagli effetti della topografia tridimensionale e dal grado di dettaglio dei dati disponibili a diversa scala. Il lavoro di ricerca presentato in questa tesi di dottorato si è focalizzato sullo sviluppo di un nuovo strumento per la modellazione numerica 3D delle frane di crollo “frammentali”, sulla sua applicazione a diversi tipi di problemi e sull’implementazione di una metodologia oggettiva per la valutazione della pericolosità. La proposta di uno strumento innovativo di modellazione numerica non poteva prescindere dallo studio dei diversi fenomeni fisici coinvolti, che sono stati oggetto di un’accurata revisione teorica. Inoltre, la prospettiva di operare una modellazione dei fenomeni su versanti naturali ha suggerito di approfondire lo studio delle caratteristiche geomorfologiche e sedimentologiche dei depositi di versante. In particolare, è stata proposta una caratterizzazione granulometrica di alcuni talus delle Prealpi Lombarde tramite analisi di immagine, finalizzata alla definizione preliminare di una relazione matematica che descrive la variazione della granulometria dei depositi rispetto alla distanza dall’apice. Lo studio teorico e l’esame della letteratura esistente sono stati propedeutici allo sviluppo di un nuovo strumento per la modellazione 3D della caduta massi. Il codice di calcolo sviluppato, chiamato “Stone”, è basato su un approccio cinematico e opera una modellazione multiscala dei moti di caduta libera, impatto/rimbalzo e rotolamento in un contesto 3D spazialmente distribuito. L’algoritmo è implementato in un codice autonomo, la cui struttura ne consente l’integrazione operativa con i più diffusi ambienti GIS. Il codice di calcolo è stato validato attraverso una serie di test specifici e in seguito applicato a tre casi di studio dalle Alpi e Prealpi Lombarde: la Montagna Lecchese (Provincia di Lecco), l’area urbana di Lecco e la frana della Gembresca (Valfurva, Sondrio). L’analisi dei risultati dei modelli realizzati, a diversa risoluzione spaziale, nelle aree campione ha permesso di verificare le potenzialità del codice, di classificare i possibili approcci di modellazione in funzione della scala e di discutere alcune tematiche generali legate alla modellazione numerica dei crolli in roccia, alla luce dei risultati forniti dalla modellazione 3D. In particolare, sono stati definiti tre tipi di modello, realizzabili tramite Stone a bassa (LRM), alta (HRM) e altissima risoluzione (VHRM), rispettivamente. Le tre tipologie di modello richiedono un diverso grado di dettaglio nella caratterizzazione dei dati di ingresso e calibrazione, e offrono diverse possibilità di analisi dei risultati e diversa capacità predittiva, che ne consente l’applicazione a vari problemi, dalla valutazione preliminare delle aree esposte alla progettazione e verifica di opere di difesa. I modelli numerici sono stati calibrati utilizzando diversi approcci, basati su dati geomorfologici, storici e “di evento”. I valori calibrati dei parametri di restituzione ed attrito sono in accordo con i valori proposti in letteratura e forniscono risultati compatibili con dati sperimentali disponibili in letteratura, che hanno confermato la validità dell’approccio proposto. Il confronto tra i risultati della modellazione numerica e i dati sperimentali disponibili ha permesso di validare l’approccio di modellazione proposto che, se utilizzato con dati di ingresso ad alta risoluzione, è capace di riprodurre la cinematica e, implicitamente, alcuni aspetti della dinamica dei fenomeni di caduta massi. I risultati della modellazione possono essere considerati affidabili a scopo progettuale. In particolare, l’analisi statistica distribuita dei risultati consente una modellazione flessibile e conservativa. La dipendenza dei risultati dalla risoluzione spaziale della topografia e dei dati di ingresso è stata approfonditamente analizzata. In generale, una modellazione effettuata utilizzando dati topografici di basso dettaglio risulta in una sovrastima delle velocità calcolate, in una sottostima delle altezze e in una minore dispersione laterale delle traiettorie. L’analisi 3D ha però evidenziato che, se la regola generale è valida per versanti di geometria semplice, i risultati ottenuti per versanti complessi possono essere significativamente diversi. La disponibilità di uno strumento modellistico affidabile ha infine permesso di sviluppare e testare una nuova metodologia per la valutazione oggettiva della pericolosità indotta da fenomeni di caduta massi, basata sull’utilizzo di dati modellistici. Tale metodologia, denominata RHIV (Rockfall Hazard Index/Vector procedure), si concentra principalmente sulla fase di propagazione dei crolli, mentre la probabilità di innesco deve essere valutata a priori. L’approccio proposto per la valutazione della pericolosità minimizza il contributo soggettivo legato alla scelta dei criteri di riclassificazione delle diverse variabili in gioco (frequenza, energia cinetica, altezza). Inoltre, l’utilizzo di un “vettore di pericolosità da crollo” (Rockfall Hazard Vector, RHV) è stato proposto al fine di superare alcune ambiguità di classificazione della pericolosità e permettere una zonazione oggettiva del territorio. La possibilità di operare a diversa risoluzione e di analizzare i risultati tramite tecniche statistiche distribuite consente inoltre una valutazione flessibile e “multi-scala” della pericolosità, utile per confrontare diversi scenari e scegliere la soluzione progettuale più adatta al quadro degli elementi a rischio, senza rinunciare ad un’analisi oggettiva. L’approccio modellistico proposto costituisce un compromesso accettabile tra affidabilità, accuratezza, efficienza computazionale e semplicità di calibrazione, e può essere considerato uno strumento utile per la soluzione di problemi ingegneristici e per la valutazione della pericolosità a scopo di pianificazione del territorio e della protezione civile.