THUNDERR: lo studio dei temporali e il loro impatto sulle strutture
La sicurezza e la sostenibilità del costruito rispetto alle azioni naturali e antropiche sono obiettivi primari dell'ingegneria. Il vento è il fenomeno naturale più distruttivo: il 70% dei danni e dei decessi causati dalla natura ogni anno nel mondo è dovuto all’azione del vento. Valutare le sue azioni è quindi cruciale per la società e la sua economia.
In qualsiasi momento, il numero medio complessivo di temporali attivi sulla terra si aggira intorno a 2000 e ognuno di essi produce al suo interno dei venti di caduta che al suolo vengono accelerati radialmente e possono raggiungere l’intensità di un tornado. Questi venti, a cui il meteorologo T. Fujita nel 1975 diede il nome di downburst, benché potenzialmente altrettanto pericolosi, non sono affatto rari come i tornado, e questo li rende un fenomeno ad alto rischio per le strutture e infrastrutture civili.
Proprio per studiare questi fenomeni e il loro effetto sul costruito, nasce il progetto THUNDERR “Detection, simulation, modelling and loading of thunderstorm outflows to design wind-safer and cost-efficient structures” dell’Università di Genova, finanziato dall'European Research Council con un Advanced Grant.
Caratterizzato da un approccio fortemente multidisciplinare, il progetto THUNDERR ha una duplice anima: da un lato si propone di studiare questo fenomeno atmosferico dal punto di vista meteorologico, dall’altro pone le basi per lo sviluppo di un modello di calcolo delle azioni sulle strutture affidabile e semplice.
Un modello per il vento temporalesco
Per quanto riguarda l’aspetto meteorologico, l’interesse del progetto si focalizza principalmente sulla cinematica dei flussi atmosferici che si sviluppano al di sotto della base della nube temporalesca e sull’intensità della divergenza del vento al suolo, che caratterizzano il cosiddetto downburst outflow. La forma e dimensione del downburst e la velocità del vento nell’outflow, in particolare, sono condizionati da diversi fattori, tra cui le caratteristiche termodinamiche e la velocità di traslazione della nube temporalesca, l’interazione con lo strato limite atmosferico preesistente, la presenza dell’orografia.
Per comprendere questi complessi meccanismi l’Università di Genova sta utilizzando una rete di monitoraggio anemometrico all’avanguardia a livello mondiale, realizzata con finanziamenti europei nei Porti di Genova, Savona/Vado Ligure, La Spezia e Livorno negli anni 2010-2015, integrata nel 2018 con un sofisticato Lidar scanner installato nel Porto di Genova, in grado di misurare il vento fino a 10 km di distanza.
Alle misure reali, il progetto ha affiancato delle prove sperimentali condotte nel WindEEE Dome della Western University in Canada, la più moderna galleria del vento al mondo progettata per simulare a scala ridotta downburst e tornado, e l’utilizzo di simulazioni numeriche all’avanguardia basate sulla Computational Fluid Dynamics e realizzate presso i centri di supercalcolo del CINECA (IT) e SURFsara (NL).
L’obiettivo finale è quello di creare un modello analitico del profilo medio verticale del vento e della turbolenza associati agli eventi temporaleschi che possa essere utilizzato per valutare correttamente gli effetti dei downburst sulle costruzioni.
Gli effetti sulle strutture
Il database dell’European Severe Storm Laboratory (ESSL) documenta oltre 1200 casi di danneggiamenti e collassi strutturali dovuti a venti estremi registrati in Italia negli ultimi 3 anni, quasi 60.000 in Europa, con ingenti danni economici, situazioni di disagio e rischio per le persone. Molti di questi sono associati a temporali, la cui intensità potrebbe aumentare nei prossimi anni, a causa del riscaldamento globale, portando ad eventi sempre più distruttivi. Le strutture più vulnerabili sono quelle leggere e flessibili, come pali, tralicci e torri di telecomunicazioni, tetti e coperture, strutture provvisionali e infrastrutture portuali.
A fronte di ciò, il calcolo delle azioni del vento sulle costruzioni è essenzialmente basato sul modello dei cicloni extratropicali, elaborato più di sessanta anni fa. I temporali sono fenomeni completamente diversi per evoluzione nello spazio e nel tempo. La loro azione fortemente non stazionaria è più simile a quella impulsiva del sisma che non a quella stazionaria dei venti ciclonici.
Proprio ispirandosi alla tradizione dell’ingegneria sismica, il progetto THUNDERR mira a fornire un criterio per costruire in modo efficace nei luoghi maggiormente esposti all'azione del vento temporalesco. Anche in questo ambito, l’idea è di utilizzare un approccio integrato analitico e sperimentale, a partire dai dati misurati in galleria del vento e al vero per indagare i fenomeni di aerodinamica e dinamica non stazionaria. In particolare, è stato realizzato un network di strutture monitorate in continuo con strumenti in grado di registrare simultaneamente il vento e la risposta strutturale. Il comportamento delle strutture monitorate, confrontato con i modelli elaborati, permetterà di giungere al perfezionamento di un formato predittivo affidabile e utilizzabile in maniera operativa dai progettisti.
Nuove frontiere e sfide ancora aperte
I risultati del progetto THUNDERR non rappresentano un punto di arrivo, al contrario sono un nuovo punto di partenza per le attività che il Gruppo di Ricerca in Ingegneria del Vento e Dinamica delle Strutture dell’Università di Genova, il cui nome è ora dedicato al prof. Giovanni Solari, persegue con successo da più di 30 anni.
Il progetto THUNDERR lascia in eredità una infrastruttura di ricerca unica al mondo, che permetterà di comprendere la complessa relazione tra le caratteristiche termodinamiche delle nubi generatrici, la dinamica dei venti temporaleschi al suolo e la risposta strutturale. Dall’esperienza del progetto THUNDERR sarà inoltre possibile migliorare la sperimentazione in galleria di vento su modelli di strutture vulnerabili a fenomeni aerodinamici transitori, quali i temporali. Al momento esistono nel mondo pochissime gallerie del vento, concentrate principalmente in Asia e nessuna in Europa, in grado di simulare questi effetti sulle strutture.
Il gruppo di ricerca GS-WinDyn sta lavorando al progetto di una nuova galleria del vento non-stazionaria che potrà essere di grande aiuto per migliorare la sicurezza strutturale e la sostenibilità nei riguardi di tali azioni. Accanto alle prospettive di ricerca internazionale, è da sottolineare l’impatto che questa ricerca potrà avere sul nostro territorio, tra i più vulnerabili ed esposti all’azione dei temporali: in un quadro di cambiamento climatico, i risultati teorici e sperimentali di THUNDERR potranno aprire la strada a moltissime applicazioni concrete e operative, per aumentare la sicurezza e la resilienza delle città e delle infrastrutture rispetto a eventi meteorologici estremi.
Massimiliano Burlando è Docente di Oceanografia e fisica dell'atmosfera presso il DICCA
Giuseppe Piccardo è Docente di Scienza delle costruzioni presso il DICCA
Maria Pia Repetto è Docente di Tecnica delle costruzioni presso il DICCA
In copertina: Downburst generato nel WindEEE Dome presso la Western University in Canada
