Analisi di sistemi di protezione dalla caduta massi e di mitigazione del rischio valanghivo con modelli ad elementi finiti

FE-based simulation of the behaviour of protection systems against avalanches and falling rocks.
The objective of this study is to understand the dynamics and quasi-static answers of the systems used. And moreover, to qualify and quantify more reliable design procedures, to optimize the different components (their shape and different materials), and to decide on new solutions and corresponding test procedures. The study was carried out by INCOFIL, Pergine. LS-DYNA was used to set up and run the models, and specifically the explicit approach for simulating the falling rocks barriers, and the implicit approach for simulating the protection systems against avalances.

Fig. 1 - Vista generale di una struttura paramassi flessibile a rete	Fig. 2 - Particolare modellazione della testa del montante

L’Azienda
INCOFIL Srl è un'azienda trentina con sede nella zona industriale di Ciré di Pergine Valsugana (TN) presente, dal 1985, sul mercato delle funi in acciaio per uso industriale e forestale, della protezione del territorio dal rischio di caduta massi e valanghivo e delle funi di acciaio inox a uso architettonico (urbano e abitativo) – web site www.incofil.com.

Caso studiato: impatto di un blocco su una barriera paramassi flessibile.
Lo studio riguarda la risposta dinamica di una barriera flessibile progettata e realizzata con l’obiettivo di superare i test di omologazione previsti dalla “direttiva per l’omologazione delle reti paramassi – WSL / UFAFP ed. 2001 e s.m.i.” per il collaudo in vera grandezza della strutture paramassi flessibili a rete.

Dati del problema.
Si tratta di una barriera flessibile di classe 7: energia 2.000 kJ; un’altezza d’intercettazione minima pari a 5,00 m; lunghezza del modulo funzionale pari a 10,00 m. La barriera è composta da struttura di sostegno in carpenteria metallica (montanti – profili aperti sezione HEB), struttura d’intercettazione in fune (schermo d’intercettazione - pannelli di fune a nodi borchiati), struttura di collegamento (funi portanti e stralli – funi metalliche a trefolo) e struttura di dissipazione (sistemi frenanti ad asola).

Fig.3 - Viste del prototipo pre-test installato nel campo prove di Whalenstadt (CH) e risultato della modellazione

Fig. 4 - Viste del prototipo post-test installato nel campo prove di Whalenstadt (CH) e risultato della simulazione

Modellazione, analisi e taratura del modello.
L’analisi ha permesso di verificare prima del collaudo in vera grandezza, la struttura nel suo insieme, determinando, in particolare, la dissipazione di energia del sistema (sia complessiva che dei singoli componenti), la storia di carico per i componenti principali del sistema, e le azioni trasmesse in fondazione (forze di compressione e taglio alla base del montante e forze di trazione agli ancoraggi della struttura di collegamento). Il modello, tridimensionale, è stato realizzato riproducendo ‘al vero’ il sistema. Ogni singolo componente è stato schematizzato in dettaglio, accettando solo semplificazioni marginali. Particolare attenzione è stata posta alla modellazione della cerniera del montante (cerniera unidirezionale che permette la sola rotazione monte-valle del montante), del passaggio delle funi nella testa del montante e nella piastra di base, del pannello dello schermo d’intercettazione e dei sistemi frenanti.

Fig.5 - Viste del prototipo post-test installato nel campo prove di Whalenstadt (CH) e risultato della simulazione

Fig. 6 - Viste del prototipo post-test installato nel campo prove di Walenstadt (CH) e risultato della simulazione

Fig. 7 - Vista dell’effetto dell’impatto di un blocco su un montante e simulazione e risultato della simulazione

Le leggi di comportamento assunte per i materiali sono state accordate al comportamento sperimentale dei diversi componenti. Per la carpenteria metallica e per le strutture in fune, è stato adottato il modello mat-piecewise-linear-plasticity. Per i dissipatori sono stati utilizzati modelli elasto-plastici, ed in particolare, per i componenti relativi al modulo di innesco il modello mat_spotweld_damage _failure. In fine per l’elemento frenante è stato utilizzato il modello mat-spring-elastoplastic.
Il solutore utilizzato nell’analisi per l’integrazione nel di tipo esplicito; si tratta, nel caso di LS-DYNA, del metodo delle differenze centrali modificato.
La scelta di utilizzare, per l’analisi, il codice LS-DYNA è stata dettata dal tipo di problema affrontado: dinamica di impatto veloce (decimi di secondo), in presenza di varie non-linearità (non linearità geometrica, con grandi spostamenti, non linearità di contatto e non-linearità di materiale).

Le condizioni operative dell’analisi, la posizione d’impatto, la forma, il peso del corpo di lancio e la velocità d’impatto, sono state dedotte dalla direttiva elvetica Direttiva per l’omologazione delle reti paramassi – WSL / UFAFP ed. 2001 e s.m.i.. In particolare in relazione alle seguenti prove:

a) prova preliminare b, con energia al 50% (campo di rete intermedio):

• impatto in posizione centrale nel campo di rete intermedio “Disposizione delle reti di protezione sul campo di collaudo. Angolo dei singoli componenti”;
  
• velocità d’impatto minima 25 m/s;
  
• forma del corpo di lancio, cubo a spigoli smussati “Forma e geometria del corpo di lancio in calcestruzzo armato”;
  
• dimensione (spigolo s= 1,11 m) e massa (3.200 kg) del corpo di lancio “Indicazioni su parametri delle prove b) e c)”;

b) prova principale c, con energia al 100% (campo di rete intermedio):

• impatto in posizione centrale nel campo di rete intermedio “Disposizione delle reti di protezione sul campo di collaudo. Angolo dei singoli componenti”;
  
• velocità d’impatto minima 25 m/s;
  
• forma del corpo di lancio, cubo a spigoli smussati “Forma e geometria del corpo di lancio in calcestruzzo armato”;
  
• dimensione (spigolo s= 1,40 m) e massa (6.400 kg) del corpo di lancio “Indicazioni su parametri delle prove b) e c)”;

I risultati ottenuti dall’analisi di pre-omologazione in campo prove, sono stati tarati in funzione dei risultati sperimentali accumulati in decine di test di omologazione presso il campo federale di Walenstadt (CH) e dai relativi report di omologazioni redatti dall’ente certificatore BAFU.

In particolare i test di omologazione del prototipo effettuati il 13/05/05 - prova b) energia al 50% e il 19/05/05 - prova c) energia al 100% che hanno permesso il rilascio della certificazione BAFU numero S05-10 del 19/05/2006. Essi hanno anche permesso di validare l’analisi, sia in relazione al modello che alla tipologia dei materiali utilizzati.

Validazione del modello
A seguito dell’effettuazione dei test di omologazione del prototipo effettuati il 13/05/05 - prova b) energia al 50% e il 19/05/05 - prova c) energia al 100% che hanno permesso il rilascio della certificazione WSL numero S05-10 del 19/05/2006 si è potuto validare l’analisi, sia come modello 3D sia come tipologia dei materiali utilizzati.
Gli schemi e le tabelle seguenti illustrano il confronto fra i risultati ottenuti con l’analisi agli elementi finiti e le misurazioni effettuate sul campo prove di Whalenstadt (CH).

Sviluppi del caso in studio e applicazioni particolari.
La confidenza acquisita con il metodo di calcolo e con il modello, anche in relazione al confronto tra risultati calcolati e misurati, ha consentito di utilizzare il modello per ulteriori studi, compiuti solo il modo virtuale, e finalizzati al potenziamento del sistema, alla progettazione di nuovi prototipi od allo studio di impatti a energia superiore.

In particolare gli studi successivi sono stati utilizzati per analizzare impatti ad energia superiore ed in punti non contemplati dalla norma di riferimento (es. pannello laterale o montante).

Nel seguito si riporta in sintesi, l’esito dei predetti studi, in particolare:

• gli effetti deformativi generali relativi ad una simulazione con impatto di 3.000 kJ in posizione centrata nello schermo centrale, sulla struttura precedentemente studiata con schermo d’intercettazione in anelli concatenati;
• gli effetti deformativi generali relativi ad una simulazione con impatto in corrispondenza del montante del pannello centrale, sulla struttura precedentemente studiata con schermo d’intercettazione in anelli concatenati.
  

Considerazioni finali
Concludendo, le simulazioni condotte con LS-DYNA hanno permesso la creazione di un modello virtuale tarato con dati sperimentali certificati. Tale modello è stato fondamentale ai fini di potenziare il sistema, studiare nuovi prototipi nonchè studiare l’effetto di impatti ad energia superiore.

Massimo Raviglione
Ricercatore presso Incofil Srl – Pergine Valsugana (TN) - Italy

Massimo Tomasi
EnginSoft Spa (sede di Firenze - Italy)

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Massimo Tomasi - EnginSoft Spa
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Article published in the Magazine: EnginSoft Newsletter Year 4 n.2