Nell'ambito dell'ingegneria civile le dighe in terra sono opere di notevole interesse non solo per la loro importanza strategica ma anche per la complessità che ne caratterizza la risposta meccanica. La vulnerabilità sismica di tali opere, combinata con la nuova classificazione sismica di alcuni territori, tra i quali quello italiano, hanno reso necessari studi più approfonditi volti a valutarne le prestazioni quando soggette a terremoti di elevata intensità.
L'attività di ricerca si rivolge allo studio della risposta sismica di dighe in terra zonate, caratterizzate da un nucleo centrale costituito da terreni a grana fina e da fianchi realizzati in sabbia. L'impiego di un approccio numerico agli elementi finiti consentirà di implementare due modelli costitutivi avanzati per sabbie e argille volti a riprodurre in maniera realistica alcuni rilevanti aspetti della risposta ciclica dei terreni, tra cui si annoverano l'accumulo di deformazioni irreversibili, la degradazione ciclica della rigidezza a taglio e del fattore di smorzamento col livello di deformazione e il generarsi di sovrappressioni interstiziali permanenti, causa dei catastrofici fenomeni di liquefazione nelle sabbie.
I risultati delle analisi saranno confrontati con quelli ottenuti da una serie di prove di laboratorio in centrifuga geotecnica su un modello fisico in scala ridotta previste nell'ambito del progetto nazionale PRIN REDREEF 2017. Il confronto con i risultati della campagna sperimentale sarà utile a individuare efficaci strategie di calibrazione dei parametri e di inizializzazione delle variabili interne dei modelli costitutivi adottati e a valutare criticamente la qualità delle previsioni numeriche ottenute. Sarà quindi possibile affinare la formulazione dei modelli costitutivi adottati al fine di migliorarne le capacità predittive, rendendoli infine disponibili per l'analisi, la riqualificazione e la mitigazione del rischio sismico di dighe zonate reali.
Le dighe in terra rappresentano opere di particolare interesse nell'ambito dell'ingegneria civile non soltanto per l'importanza sociale ed economica che rivestono ma anche per la complessità richiesta per valutarne le prestazioni, dalle quali dipende la sua realizzabilità, se si tratta di una diga in progetto, o le condizioni necessarie per il suo futuro utilizzo, se ci si riferisce ad un'opera esistente. Tali opere sono particolarmente vulnerabili da un punto di vista sismico alla luce dei danni osservati anche recentemente in numerose dighe esistenti (Singh et al., 2005; Liping et al., 2011; Matsumoto & Sasaki, 2011), a riprova del fatto che alcuni aspetti della loro risposta dinamica necessitano di ulteriori studi e approfondimenti. Peraltro, negli ultimi decenni si è assistito ad una significativa evoluzione dei metodi di valutazione della pericolosità sismica che ha portato alla riclassificazione sismica di numerosi territori, incluso quello italiano, rendendo necessaria la rivalutazione della risposta sismica di numerose dighe esistenti, con riferimento a scenari ben più gravosi rispetto a quelli di progetto.
Lo studio del comportamento sismico di una diga in terra può essere eseguito adottando diversi approcci, caratterizzati da complessità crescente, a partire dal metodo pseudostatico sino ad arrivare ad analisi effettuate secondo il metodo degli elementi finiti in campo non lineare. Gli approcci più semplici, più comunemente impiegati nella progettazione, non sono in grado di portare in conto alcuni aspetti fondamentali del comportamento meccanico dei terreni tra cui la loro natura multifase e, conseguentemente, escludendo qualsiasi effetto di interazione tra le fasi. Inoltre l'adozione di relazioni costitutive elementari (visco-elastiche, isteretiche) per lo studio della risposta meccanica dei terreni non consentono di prevedere realisticamente l'accumulo di spostamenti residui e delle sovrappressioni interstiziali durante l'analisi, limitandone così le potenzialità di utilizzo in ambito ingegneristico. Numerosi modelli costitutivi avanzati sono stati sviluppati negli ultimi anni per portare in conto questi aspetti, ma raramente sono stati impiegati per l'analisi di dighe in terra (Elgamal et al., 2002; Sica et al., 2008; Rampello et al., 2009; Xia et al., 2010; Elia et al., 2011, Ming et al., 2011).
La presente attività di ricerca intende fornire un contributo affrontando numericamente lo studio sismico di una particolare classe di dighe in terra dette zonate, il cui nucleo centrale è costituito da materiale coesivo a grana fina poco permeabile mentre i fianchi sono realizzati attraverso terreni a grana grossa, quali sabbie, che garantiscono un'adeguata prestazione dell'opera. L'approccio numerico u-p proposto da Zienkiewicz e Shiomi nel 1984 permetterà di portare in conto le interazioni tra fluido e scheletro solido dei terreni, la generazione di sovrappressioni interstiziali e i fenomeni di consolidazione che avvengono contestualmente all'applicazione dell'azione sismica. Inoltre, l'impiego di modelli costitutivi avanzati consentirà di simulare in modo realistico la risposta ciclica dei terreni. In dettaglio, per lo studio della sabbia costituente i fianchi della diga verrà adottato il modello costitutivo bounding surface proposto da Dafalias & Manzari (2004), recentemente modificato da Amorosi, Boldini e Rollo (2018), che permetterà di studiare anche le condizioni di collasso in seguito ai fenomeni di mobilitazione ciclica o liquefazione (Andrade et al., 2013). Il materiale a grana fina costituente il nucleo della diga sarà invece studiato attraverso il modello costitutivo MSS (Kavvadas & Amorosi, 2000) basato sulla teoria della plasticità incrudente a due superfici, che permetterà di riprodurre in maniera realistica le caratteristiche peculiari del comportamento meccanico dei terreni coesivi quando soggetti a carichi ciclici.
Infine, i risultati delle analisi saranno confrontati con quelli ottenuti da una serie di prove di laboratorio in centrifuga geotecnica su un modello fisico in scala ridotta previste nell'ambito del progetto nazionale PRIN REDREEF 2017. Il confronto con i risultati della campagna sperimentale sarà utile a individuare efficaci strategie di calibrazione dei parametri e delle variabili interne dei modelli costitutivi adottati e a valutare criticamente la qualità delle previsioni numeriche ottenute. Sarà quindi possibile affinare ulteriormente gli strumenti disponibili, eventualmente modificando e arricchendo la formulazione dei modelli costitutivi adottati al fine di migliorarne le capacità predittive in modo da poter essere efficacemente impiegati per l'analisi, la riqualificazione e la mitigazione del rischio sismico di dighe zonate reali.