Sviluppo e validazione di metodologie e modelli idraulici e geologici a supporto di un sistema di allarme in tempo reale per onde di maremoto. Implementazione al caso della frana di Stromboli, Isole Eolie (PRIN07).
Il progetto, finanziato con fondi del Ministero dell'Università e della Ricerca, è stato coordinato dal Prof. Paolo De Girolamo dell'Università dell'Aquila. L'esperimento era volto allo sviluppo e validazione di metodologie e modelli idraulici e geologici a supporto di un sistema di allarme in tempo reale per onde di maremoto.

• Coordinatore Nazionale:
  • Prof. Paolo De Girolamo (Università dell'Aquila)

• Coordinatori Locali:
  • Prof. Leopoldo Franco (Terza Università di Roma)
  • Prof. Leonardo Damiani (Politecnico di Bari)
  • Prof. Paolo Sammarco (Università di Roma "Tor Vergata")

Descrizione

Gli esperimenti finanziati con fondi PRIN 2007 possono essere considerati una estensione di quelli relativi al progetto PRIN 2004 con alcune novità sostanziali che possono essere così riassunte:

• è stato realizzato un secondo modello di frana avente anch'esso, come quello utilizzato nel corso del precedente progetto, a forma di un semiellissoide di rotazione ma con volume e peso doppi. Le variazioni hanno permesso lo studio di onde di bordo generate da frane completamente sommerse la cui entitè, con il modello di frana precedente, si era rivelata assai modesta.
• è stato approfondito lo studio della struttura trasversale delle onde di bordo attraverso la costruzione di un braccio meccanico rotante, incernierato al centro dell'isola, che è servito da supporto per un transetto di nuove sonde di livello, di tipo sia resistivo che ultrasonico. Questi nuovi punti di misura hanno fornito informazioni sulle struttura delle onde di bordo lungo tutto il perimetro dell'isola: infatti, una volta dimostrata la ripetibilità degli esperimenti, ripetendo lo stesso lancio del modello di frana e lasciando invariate le condizioni al contorno tranne la posizione del braccio rotante - che è stata fatta variare con l'ausilio di apposite sonde magnetiche di posizione - è stato ottenuto un numero molto elevato di punti di misura per ogni esperimento.
• Al fine di garantire le medesime condizioni iniziali degli esperimenti, ed allo scopo anche di semplificare gli aspetti pratici delle attività dei ricercatori, sono stati "meccanizzati" i lanci dei due modelli di frana attraverso un meccanismo con pignoni e catena a ralle direttamente collegato ai modelli delle frane e controllato da calcolatore elettronico, che ha consentito di impostare i parametri dei lanci (altezza iniziale, accelerazione, ecc.) oltre al recupero del modello di frana alla fine di ogni esperimento senza che ci fosse bisogno della presenza dell'operatore sull'isola.

L'apparato sperimentale

L'isola di Stromboli è stata rappresentata schematicamente come un'isola tronco-conica in similitudine di Froude (scala 1:1000), con raggio di base pari a 4.45 m e pendenza dei paramenti pari a 1:3. Uno dei paramenti dell'isola è stato intagliato per poter ricavare una superficie di scivolamento per il corpo frana, anch'esso rappresentato schematicamente, di forma regolare semi-ellissoidica.

L'isola è stata costruita, dai tecnici del LIC e del LIAM (Laboratorio di Idraulica Ambientale e Marittima, Università dell'Aquila) , mediante lastre di PVC fissate saldamente a una intelaiatura metallica che conferisce all'intera struttura la robustezza necessaria.

È stato successivamente installato un perno d'acciaio che supporta e fa ruotare un braccio meccanico strumentato della lunghezza di 6 m controllabile in remoto. Il braccio meccanico consente l'utilizzo di strumenti per misure non invasive nei punti di maggior interesse, quali, ad esempio, la linea di riva.

Il braccio meccanico può ruotare di un angolo pari a 180º con passo di 5º. Il suo centro di rotazione coincide con il centro dell'isola. Per assicurare la precisione della rotazione il braccio è dotato di un sistema di controllo in posizione. La rotazione è controllabile in remoto.

Il braccio meccanico può essere equipaggiato con strumenti di vario tipo. Grazie alle sue caratteristiche è stato dotato di sonde resistive e sensori a ultrasuoni (non invasivi) che consentono misure non "inquinate" dalla presenza in acqua degli strumenti stessi.

I modelli di frana hanno la forma di un semi-ellissoide, sono identici in tutte le loro dimensioni geometriche eccetto lo spessore (il corpo verde ha spessore doppio rispetto al corpo rosso). La forma semi-ellissoidica è vantaggiosa poiché è facilmente riproducibile in studi analitici e numerici; studi precedenti mostrano inoltre che tale geometria di frana genera le onde più gravose.

• una videocamera;
• 5 Sonde di livello fisse, posizionate lontane dall'isola;
• 12 Sonde di run-up lungo le pendici dell'isola;
• 4 Sonde di livello posizionate sul braccio metallico (fisso);
• 6 Sonde di livello, posizionate sul braccio mobile;
• 7 Sensori a ultrasuoni, posizionati sul braccio mobile.

Le prove sperimentali

La prova sperimentale consiste nel far scivolare il corpo frana lungo lo scivolo una volta fissati il tirante idrico nella vasca e l'energia della frana (altezza di caduta del corpo).

Quando il corpo colpisce la superficie libera, e prosegue il suo moto nella zona sommersa fino ad arrestarsi sul fondo della vasca, si osserva la formazione di due sistemi di onde:

• onde che si irradiano verso il largo;
• onde che si propagano lungo la costa dell'isola.

La spiccata tridimensionalità del fenomeno e il complesso campo di moto generato dalla frana richiedono un altrettanto complesso, e dettagliato, sistema di misura e di acquisizione dei dati per poter caratterizzare completamente il campo di moto ondoso e per favorire il confronto dei dati sperimentali con modelli analitici e numerici.

Ogni esperimento è composto, di fatto, da 36 lanci del corpo frana. Dopo ogni lancio il braccio viene spostato di 5º(dopo un periodo di attesa di circa 25 minuti per far calmare le oscillazioni della vasca). L'esperimento può dirsi concluso quando l'angolo compreso tra la giacitura di scivolamento della frana e il braccio meccanico è pari a 180º. La durata di ogni esperimento è dunque di circa 18 ore.

Per ogni esperimento, relativo a una configurazione energetica della frana (altezza di caduta), si hanno a disposizione quasi 500 misure puntuali. Tale risoluzione spaziale (e temporale) delle misure è del tutto paragonabile a quella che tipicamente si ottiene tramite l'utilizzo di modelli numerici.

Le misure raccolte sono volte a:

• conoscere la legge del moto del corpo frana;
• conoscere l'andamento nel tempo della superficie libera nella vasca e intorno all'isola.

La legge del moto del corpo frana è stata ricavata tramite l'analisi di immagini digitali ottenute dai filmati relativi a ogni lancio del corpo stesso. Le immagini, oportunamente orto-rettificate, sono state trattate con tecniche di analisi d'immagine per poter ricostruire la legge oraria del corpo frana, fornendo così i diagrammi di spostamento, velocità e accelerazione del corpo.

L'andamento della superficie libera è stato ricostruito effettuando l'analisi nel dominio del tempo delle registrazioni delle sonde (fisse e mobili). Da notare, che l'analisi dei dati delle sonde fisse ha permesso di controllare l'effettiva ripetibilità dell'esperimento, esprimibile grazie alla costruzione di fasce fiduciali.

Conclusioni

• L'innovativo sistema di misura permette di ottenere per un singolo esperimento, una volta controllata la ripetibilità dello stesso, un numero di dati (circa 500) equiparabile a quello fornito da un modello numerico; in tal modo i risultati sperimentali costituiscono un database senza precedenti per operare confronti con modelli analitici e numerici;
• L'utilizzo del braccio meccanico consente l'utilizzo di strumenti estremamente precisi e non invasivi quali i sensori a ultrasuoni; la misura di questi strumenti, non inquinata dalla presenza in acqua degli strumenti stessi, consente una completa caratterizzazione del campo di moto in punti di particolare interesse (es. linea di riva);
• La presenza dei sensori fissi favorisce il controllo della ripetibilità dell'esperimento;
• L'utilizzo dei sensori a ultrasuoni permette (quando il braccio meccanico è parallelo alla giacitura del corpo frana) di identificare sperimentalmente la legge di entrata in acqua del corpo frana: tale legge rappresenta infatti un'incognita nei modelli numerici e analitici.

Pubblicazioni

• Molfetta M.G., Di Risio M., Bellotti G., Romano A., Pratola L., De Girolamo P., Damiani L. (2010)- Tsunamis generated by landslides along the coast of a conical island: a new set of three-dimensional experiments. Third International Conference on the Application of Physical Modelling to Port and Coastal Protection (CoastLab 10) - Barcellona
• Molfetta M.G., Di Risio M., Bellotti G., Romano A., De Girolamo P., Damiani L. (2012)- Landslide generated waves propagating along circular islands: some new experimental results. Fourth International Conference on the Application of Physical Modelling to Port and Coastal Protection (CoastLab 12) - Ghent (Belgium)