L’acqua rappresenta una minaccia per attività antropiche e infrastrutture, aggravata dal cambiamento climatico. Fenomeni come inondazioni costiere da mareggiate o tsunami (data l’alta sismicità italiana), alluvioni fluviali da piogge intense e effetti corrosivi da contatto prolungato con acqua marina o lacustre mettono a rischio persone, economia e strutture strategiche (dighe, barriere protettive, piattaforme eoliche offshore). L’interazione tra acqua e strutture è al centro del presente progetto di ricerca. Da un lato, si mira a valutare l’impatto dell’acqua sulle strutture, attraverso la quantificazione del rischio a cui sono esposte. Dall’altro, si intende monitorare le strutture in condizioni di carico estreme, ovvero sotto carichi meccanici impulsivi o sotto effetti di corrosione dovuti a un prolungato contatto con acqua salata. Infine, si punta a monitorare il comportamento strutturale e a prevedere l’evoluzione e il degrado dei danni. Gli strumenti per tale indagine sono applicazioni avanzate della meccanica dei continui, come interazioni fluido-solido, meccanica della frattura, meccano-diffusione e altre. Quando si studiano le prestazioni strutturali di materiali e strutture in ambienti estremi, occorre tenere conto di una vasta classe di fenomeni, inclusi il deterioramento di solidi elastici derivante da processi microscalari come la nucleazione, la crescita e la coalescenza di microfratture, promossi da carichi meccanici e dalla presenza di un soluto che diffonde all’interno del solido. Questi fenomeni sono rilevanti per molte altre applicazioni reali, come le batterie agli ioni di litio, dove avviene la diffusione degli ioni di litio negli anodi solidi, la fragilizzazione da idrogeno dei metalli (che consiste nel rendere i metalli fragili a causa dell’introduzione e diffusione di idrogeno), il magnetismo indotto da intercalazione in bulk non magnetici, la diffusione dell’acqua nei polimeri adesivi dentinici, legata al loro ammorbidimento meccanico e degrado idrolitico, e molte altre.
L’interazione dell’acqua di mare con le strutture civili è particolarmente rilevante per le opere di interesse strategico, esposte principalmente agli effetti del mare, come le piattaforme offshore per la produzione e il trasporto di energia, che rivestono un’importanza strategica e richiedono adeguati sistemi di protezione da incidenti e sabotaggi. Da questo punto di vista, è necessario dedicare uno sforzo di ricerca mirato per sviluppare sistemi di monitoraggio adeguati dal punto di vista strutturale, valutarne costantemente la sicurezza e controllare la nucleazione e la diffusione del danno.
In questo contesto, devono essere attuate due strategie complementari:
Da un lato, lo studio dell’evoluzione del danno attraverso strumenti avanzati di meccanica computazionale, lo sviluppo di un’adeguata conoscenza teorica dei fenomeni coinvolti, mediante un approfondito esame della letteratura e lo sviluppo di strategie computazionali più efficienti.
Dall’altro lato, miriamo a studiare la fattibilità dello sviluppo di nuovi materiali con le più avanzate tecnologie di produzione. In questo caso, è impossibile non pensare alla tecnologia di stampa 3D, che offre le massime possibilità in termini di ottimizzazione della forma, riduzione degli sprechi di materiale e, specialmente negli ultimi tempi, la possibilità di utilizzare i materiali più efficienti. L’adozione della tecnologia di stampa 3D, in particolare nel caso di utilizzo di nuovi materiali, deve essere accompagnata da un’adeguata campagna di test sperimentali, per valutare le prestazioni dei materiali in termini di parametri di rigidezza, modelli di materiale adeguati e relativi limiti di utilizzabilità, sia in termini di risposta ai carichi applicati (statici ma, cosa più importante, carichi impulsivi), sia in termini di resistenza alla corrosione o ad altri rischi chimici, sia in termini di fatica (sia meccanica che termo-meccanica). Come evidenziato sopra, il presente progetto combina diversi argomenti e le correlate metodologie per lo sviluppo di un obiettivo integrato: la modellazione dei possibili rischi su strutture di rilevanza strategica, il monitoraggio dei conseguenti effetti immediati o a lungo termine dal punto di vista del danno e la possibilità di adottare le strategie più efficienti per la loro protezione.
Il progetto propone un approccio integrato per la quantificazione del rischio in ambito marino, combinando strumenti numerici ad hoc per ottenere simulazioni accurate e al contempo computazionalmente sostenibili su domini estesi. Per gestire la complessità del problema si distingue tra due regioni operative: il far field, dove il fluido evolve lontano dalle strutture e può essere descritto con modelli semplificati, e il near field, dove l’interazione diretta con opere, barriere o piattaforme richiede metodi più sofisticati capaci di catturare impatti, grandi deformazioni e profili di pressione non idrostatici.
Nel far field si adotta l’approssimazione delle Shallow Water (SW), che riduce la dimensione verticale del problema assumendo una pressione essenzialmente idrostatica. Questa semplificazione permette di simulare onde e correnti su vaste aree con costi computazionali contenuti e con un buon livello di accuratezza per le grandezze di interesse a larga scala. Le simulazioni SW sono ideali per valutazioni preliminari del rischio, per scenari multipli e per fornire condizioni al contorno rapide e ripetibili.
Nel near field, dove la presenza delle strutture altera profondamente il campo di pressione e la dinamica della superficie libera, si ricorre a metodi Lagrangiani come le tecniche a particelle (SPH, MPS e affini). Questi metodi sono particolarmente efficaci nel trattare impatti, rotture di superficie e grandi deformazioni, consentendo di ottenere la storia temporale delle pressioni d’impatto e le sollecitazioni locali necessarie per la valutazione strutturale. Per ottenere risultati affidabili è però necessario un elevato dettaglio numerico, con conseguenti esigenze significative di calcolo e memoria.
L’elemento innovativo del progetto è l’accoppiamento tra far field e near field tramite un’interfaccia dati dedicata: le simulazioni SW forniscono al dominio locale condizioni di ingresso (altezza libera, velocità orizzontali, parametri turbolenti e profili di concentrazione chimica), mentre le simulazioni Lagrangiane restituiscono informazioni dettagliate sulle pressioni d’impatto e sulle loro evoluzioni temporali. Questo schema permette di sfruttare l’efficienza dei modelli a ridotta dimensionalità per coprire grandi estensioni e, contemporaneamente, di concentrare il calcolo ad alta risoluzione solo nelle zone critiche, ottimizzando tempi e risorse.
Per affrontare la degradazione delle strutture sommerse, il progetto sviluppa modelli accoppiati diffusione–deformazione–danno. La diffusione di ioni aggressivi (ad esempio cloruri o solfati) viene trattata come un campo scalare che influenza le proprietà meccaniche del calcestruzzo: la presenza di tali specie chimiche riduce le soglie di danno e modifica la risposta meccanica, mentre la deformazione stessa può alterare la permeabilità e quindi la velocità di diffusione, generando un feedback complesso. Per studiare questi fenomeni in modo controllato si parte da un modello beam 1D, utile per calibrare i parametri e verificare la coerenza fisica, con l’obiettivo di estendere successivamente l’approccio a modelli tridimensionali.
Dal punto di vista matematico si propone l’adozione di un approccio emivariazionale per la modellazione del danno: una formulazione variazionale che incorpora vincoli unilaterali sulle variabili di danno, garantendo che il danno evolva in modo irreversibile (non decrescente) e che le leggi di evoluzione siano derivate coerentemente da principi energetici. Questo supera limiti di molte formulazioni esistenti, dove l’evoluzione del danno è spesso prescritta in modo arbitrario e non collegata esplicitamente alla concentrazione degli agenti deterioranti.
Le simulazioni dinamiche includeranno anche termini dissipativi, come quelli rappresentati da una funzionale di Rayleigh, per tenere conto di fenomeni di attrito e dissipazione energetica durante l’evoluzione del sistema. L’accoppiamento tra diffusione chimica, danno e risposta meccanica sarà trattato in modo fully coupled o semi‑accoppiato a seconda dei casi, con particolare attenzione alla stabilità numerica e alla gestione delle non linearità.
L’uso di risorse di calcolo ad alte prestazioni è cruciale: le simulazioni Lagrangiane ad alta risoluzione e gli studi parametrici richiedono infrastrutture HPC, parallelizzazione efficiente e strategie di I/O ottimizzate. La collaborazione con centri di supercalcolo come CINECA e con gruppi di ricerca nazionali e internazionali garantirà accesso a risorse e competenze per implementare e scalare i codici, preferibilmente basandosi su software open source per favorire riproducibilità e collaborazione.
L’integrazione con sistemi di Structural Health Monitoring (SHM) completa il quadro operativo: i dati sperimentali raccolti in sito saranno utilizzati per calibrare e validare i modelli, migliorare l’interpretazione delle misure e ridurre costi e ridondanze nel monitoraggio. I modelli numerici, a loro volta, forniranno indicatori utili per la diagnostica e la prognosi della vita utile delle strutture, permettendo di prevedere l’evoluzione del danno e di pianificare interventi mirati.
