MODELLAZIONE FISICA DI DIGHE IN TERRA
A CURA DI Prof.ssa Daniela Giretti daniela.giretti@unibg.it
LA DIGA DEL GLENO A UN SECOLO DAL DISASTRO. Riflessioni sul progetto e sulla costruzione di un’imponente opera di ingegneria Progetto finanziato nell’ambito del bando di Ateneo per iniziative di Public Engagement 2023
DIGHE: STRUTTURE STRATEGICHE La crescente necessità di capacità di stoccaggio d’acqua e di controllo di fenomeni metereologici eccezionali sta suscitando, in Italia e nel mondo, grande interesse circa la manutenzione delle dighe esistenti e il completamento dei progetti incompiuti. In Italia, solo il 70% delle 542 grandi dighe esistenti è pienamente operativo, con una ridotta possibilità di sfruttamento (circa il 47%) della potenziale disponibilità di acqua. Il ripristino della completa funzionalità delle dighe esistenti è oggi un'attività strategica nell’ottica della sostenibilità energetica e resilienza del nostro territorio. In un Paese ad alta sismicità come quello italiano, la manutenzione e il ripristino delle grandi dighe implicano anche la valutazione delle loro prestazioni sismiche e la progettazione di potenziali strategie di riabilitazione.
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LE DIGHE IN TERRA Strutture di sbarramento costruite utilizzando materiali sciolti naturali come argilla, rocce, pietrame. Omogenee: costruite principalmente con materiali omogenei. Zonate (Rockfill): strati di materiale granulare (ghiaia o pietrisco) + strato impermeabilizzante. Rock-Core Dam: pietra + nucleo centrale impermeabilizzante. Rivestite: con materiali impermeabili lato invaso.
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LE DIGHE IN TERRA IN ITALIA Bacino e diga di Lago Verde H = 87 m Pietrame con manto
Immagine di proprietà di Enel Italia S.p.A.
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LE DIGHE IN TERRA NEL MONDO Diga di Rogun H =335 m Rockfill e nucleo di argilla
Immagine Webuild Rogun Hydro Power Project the highest dam in the world
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STABILITÀ IDRAULICA E SISMICA DELLE DIGHE Lo studio della stabilità delle dighe di terra in condizioni sismiche è una questione complessa, a causa della natura delle forze in gioco e dei materiali coinvolti, e della loro interazione reciproca. Il grado di complessità aumenta nel caso delle dighe zonate, in cui materiali con diverse proprietà idrauliche e meccaniche sono combinati per massimizzare l'integrità strutturale e la tenuta idraulica. La modellazione fisica in centrifuga geotecnica può aiutare a studiare, comprendere, schematizzare e risolvere queste complessità.
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LA MODELLAZIONE FISICA L’uomo si è sempre servito dei modelli per rappresentare la realtà: es: modelli verbali, come le metafore, le similitudini, gli esempi, utilizzati per esprimere concetti. Architetti sumeri, egizi, greci e romani impiegarono modelli fisici per sottoporre le opere da realizzare all’approvazione del committente e per comunicare con le maestranze. Nel Rinascimento, complessi modelli lignei furono impiegati per rappresentare grandi progetti, come quello della cupola del Brunelleschi. Michelangelo Buonarroti: “I più benedetti denari che si spendono da chi vuol fabbricar sono i modegli”. Con le intuizioni di Galilei e grazie alla teoria matematica della similitudine i modelli fisici sono oggi “scientifici”.
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LA MODELLAZIONE FISICA IN CENTRIFUGA Due sistemi geometricamente simili sono anche fisicamente simili quando grandezze della stessa natura fisica hanno in punti corrispondenti rapporto costante. La completa similitudine tra prototipo e modello è raggiunta quando siano rispettate tutte le relazioni tra le scale con cui il modello riproduce le grandezze fisiche (LEGGI DI SCALA). Nell’ingegneria civile la modellazione fisica si scontra spesso con i limiti imposti dalle dimensioni delle opere o dall’entità dei carichi in gioco. La centrifuga geotecnica è un'apparecchiatura di grandi dimensioni che consente di andare oltre questi limiti.
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LA MODELLAZIONE FISICA IN CENTRIFUGA Applicando a un modello geometricamente scalato un campo gravitazionale artificialmente accelerato, la centrifuga consente di riprodurre nel modello lo stesso stato tensionale e deformativo del prototipo reale, sotto la condizione di utilizzare per il modello lo stesso terreno. IL MODELLO SI COMPORTA COME IL PROTOTIPO IN VERA GRANDEZZA
Il modello è imbarcato in centrifuga
La centrifuga è posta in rotazione
Il prototipo in vera grandezza è riprodotto da un modello N volte più piccolo ricostruito in laboratorio La diga del Gleno a un secolo dal disastro: riflessioni sul progetto e sulla costruzione di un’imponente opera di ingegneria
LA CENTRIFUGA GEOTECNICA SISMICA Il braccio rotante è posto in rotazione attorno al proprio asse verticale di simmetria. Il modello ruota e si dispone orizzontalmente. La forza centrifuga applica al modello un campo centrifugo pari a 50, 100, fino a 600 volte la gravità terrestre. La tavola vibrante fissata al braccio rotante simula terremoti reali.
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ASSE ROTAZIONE
TAVOLA VIBRANTE INSTALLATA SUL BRACCIO ROTANTE BRACCIO SIMMETRICO ROTANTE CONTRAPPESO
MODELLO
CESTELLO
La diga del Gleno a un secolo dal disastro: BASCULANTE riflessioni sul progetto e sulla costruzione di un’imponente opera di ingegneria
MODELLO DIGA ZONATA IN CENTRIFUGA Il Progetto REDREEF - Risk Assessment of Earth Dams and River Embankment to Earthquakes and Floods Prove dinamiche in centrifuga geotecnica condotte per investigare la risposta di una diga zonata sottoposta a forze sismiche. Modello N volte più piccolo di un prototipo reale ricostruito in laboratorio e strumentato con sensori miniaturizzati. Modello sottoposto a una sequenza di eccitazioni dinamiche di intensità crescente in condizioni di invaso ordinario.
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MODELLO DIGA ZONATA IN CENTRIFUGA Progetto REDREEF
invaso
contenitore
nucleo in argilla
fianco in sabbia densa
trasd. rot. orizzontali
30 [2]
CL1, CR1, aT
LDT verticali
MR1, ML1
tensiometri
VR1, VL1
PPT accelerometri
a4
20 345 [17]
a1
[2 ] 49
60 [3]
T10 a7
T2 a2 P
90 [5] 780 [39] 800 [40]
120 [6]
[2 ]
3 5°
EV
T3
T7 a8
a3 T6
253
180 [9]
260 [13] 220 [11]
T8
N M
VL2
a5 49
ML3
131 [7]
330
131 [7]
ML2
T5
VL3
sensori
T9 a6
345 [17]
mm [m]
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RICOSTRUZIONE DEL MODELLO
nucleo
strumentazione fianchi
contenitore
ricostruzione fianchi
sagomatura fianchi
fianco
nucleo
nucleo
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MODELLO FINITO PRE-INVASO, STRUMENTATO, CABLATO
nucleo
fianchi Volume invaso
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MODELLO IMBARCATO IN CENTRIFUGA
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TEST SISMICO: 4 SHOCK CONSECUTIVI
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MODELLO A FINE SEQUENZA SISMICA
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MODELLO DIGA ZONATA IN CENTRIFUGA MISURE ACCELEROMETRI
0.8 0.7 0.6
AT (g)
0.5 0.4 0.3
0.2
0.1
200
400 f (Hz)
600
800
0 0
0.3 200
400 f (Hz)
600
800
A4 (g)
0.2 0.1 0 0
200
400 f (Hz)
600
800
200
400 f (Hz)
600
800
0.2 0.1 0 0
0.2
ATAV (g)
0 0
A6 (g)
A5 (g)
0.2
0.1
0.1 0 0
200
400 f (Hz)
La diga del Gleno a un secolo dal disastro: riflessioni sul progetto e sulla costruzione di un’imponente opera di ingegneria
600
800
MODELLO DIGA ZONATA IN CENTRIFUGA Il Progetto REDREEF - Risk Assessment of Earth Dams and River Embankment to Earthquakes and Floods I risultati delle prove hanno permesso la calibrazione di un modello numerico per eseguire analisi predittive. Il modello numerico permetterà di eseguire analisi di stabilità in condizioni sismiche di dighe in terra esistenti. Le analisi consentiranno di progettare eventuali interventi di miglioramento sismico.
La diga del Gleno a un secolo dal disastro: riflessioni sul progetto e sulla costruzione di un’imponente opera di ingegneria