Come la forma dei massi influisce sulla dinamica della frana

Quando i mutamenti climatici causano lo scioglimento del permafrost ad alta quota, dalle masse di detriti e pareti rocciose emerse possono staccarsi pietre e massi. Il pericolo di caduta massi può quindi aumentare nelle regioni di montagna. Solo nell'ultimo anno in Svizzera le frane hanno causato cinque vittime e bloccato numerose strade. Per le autorità, la protezione contro la caduta massi è uno dei compiti più urgenti.

Figura 1: Un masso pesante 80 t blocca la strada verso il passo del Giulia (foto: Maja Bless)

Modellazione di frane

Per valutare il rischio di caduta massi, gli specialisti ricorrono – tra le altre cose – anche a modelli numerici che simulano i singoli fenomeni franosi su diversi tipi di terreno. Sulla base della loro esperienza e dei risultati delle simulazioni, essi sono in grado di valutare a quale velocità cadono i massi, che altezza di rimbalzo possono raggiungere e quanto riescono ad avanzare nei centri abitati.

Un fattore importante per i calcoli con i modelli numerici è la forma dei massi. Sino ad oggi erano stati utilizzati principalmente massi a forma di parallelepipedo o sferica. Nei vecchi modelli, il masso veniva calcolato come punto di massa: per i parametri del suolo dovevano quindi essere specificati valori fittizi per descrivere le proprietà di attenuazione e le rugosità del suolo. I risultati delle simulazioni dovevano quindi essere valutati con molta cautela. Sino ad oggi, nessuno è stato ancora in grado di simulare gli effetti della forma dei massi sul loro movimento all'interno della frana.

Massi di forma diversa

Il progetto di ricerca si è concentrato quindi sullo studio degli effetti esercitati dalle diverse forme dei massi sulla dinamica e sul comportamento di una frana. Esiste una forma specifica che rotola più velocemente o rimbalza più in alto di altre? Quali massi avanzano di più e come si dispongono nella zona di accumulo? Qual è la forza sprigionata durante l'impatto? Simili dati aiutano a comprendere meglio il processo della frana, facilitando così la compilazione delle carte di pericolo e la definizione delle necessarie misure di protezione per le strade e le ferrovie.

Video 1: Frana a Grabengüfer Randa, Canton Vallese, 2011

Esperimenti sul campo e in laboratorio

Attraverso minuziosi esperimenti sul campo (figura 2, video 2) e frane simulate in scala ridotta, i ricercatori osservano quanto avanzano i massi di forma diversa e dove arrestano la loro corsa. Sulla base delle immagini riprese da una fotocamera ad alta velocità è possibile osservare come si muovono i massi e con quale velocità cadono. I sensori di movimento sistemati all'interno dei massi misurano la decelerazione durante l'impatto e la velocità di rotazione.

I primi risultati di questi esperimenti dimostrano ad es. che una superficie sfaccettata, come quella che caratterizza spesso i massi rocciosi, accelera il moto rotatorio del masso facendolo rotolare a una distanza maggiore.  

Video 2: Esperimenti di laboratorio su una superficie inclinata

Figura 2: Massi di forma diversa con sensore di movimento incorporato

Nuovo modello di frana presto disponibile

Le conoscenze derivanti da tutti questi esperimenti confluiscono direttamente nel nuovo modello numerico RAMMS::Rockfall (Rapid Mass MovementS) (figura 3) sviluppato dall'Istituto federale di ricerca per la foresta, la neve e il paesaggio WSL in collaborazione con l'Istituto per sistemi meccanici del Politecnico Federale di Zurigo. I massi e i blocchi utilizzati nelle simulazioni vengono inseriti nel modello sotto forma di politopi tridimensionali convessi. Ciò consente di effettuare simulazioni con massi di qualsiasi forma.

Il modello di frana viene attualmente testato in Svizzera da vari specialisti. Il primo workshop sul nuovo modello numerico RAMMS::Rockfall si terrà il 4 luglio 2013 presso l'Istituto federale di ricerca per la foresta, la neve e il paesaggio WSL a Birmensdorf.

Figura 3: Simulazione di una frana presso Gurtnellen (UR) mediante il programma RAMMS::Rockfall con massi di forma diversa (in basso a destra): la velocità è rappresentata dai diversi colori nel modello di terreno a sinistra, mentre l'altezza dei rimbalzi è visibile nel riquadro in alto a destra.