Prima ristrutturazione generale - 2012

Dopo otto anni di funzionamento senza alcuna necessità di manutenzione, nell'Aprile del 2012 la pesa doveva essere ristrutturata. Le putrelle di acciaio erano piegate e le piastre di copertura erano state asportate dall'attrito e dagli impatti dei macigni. "Non si poteva più escludere la possibilità di fessurazioni, con la conseguente distruzione delle celle di misura sotto la piastra," prosegue Fritschi.

La ristrutturazione fu estensiva: Prima la squadra ha dovuto deviare lo Illbach e liberare le vie di accesso all'escavatore. Poi venne il lavoro effettivo di sostituzione delle piastre di acciaio e delle putrelle. In ogni modo, gli scienziati dovevano poter continuare ad utilizzare la tecnologia di misura. A tal scopo, essi montarono i supporti ad elastomero e le celle di carico su una nuova struttura di acciaio.

Prima di posare la nuova piastra di acciaio sul telaio, la squadra verificò le celle di misura senza alcun carico. A tal scopo fu pesato il telaio di acciaio e la piastra di copertura di ciascuna cella e confrontati i dati coi valori di misura registrati all'inizio del progetto.

"Avevamo il sospetto che il punto zero di due celle di misura fosse cambiato nel corso degli anni," dice Fritschi, spiegando la procedura. "e che i valori fossero deviati di 10 tonnellate, ma i risultati mostrarono deviazioni costanti di 5 chilogrammi che potemmo inserire molto facilmente come fattore nei nostri risultati. Ciò significava che potevamo continuare ad usare le vecchie celle di carico." Inizialmente non era possibile la sostituzione poiché a causa della corrosione non era possibile allentare i bulloni di ancoraggio delle celle di misura.

Sei mesi più tardi, dopo la stagione estiva degli smottamenti, fu finalmente possibile con notevoli sforzi la rimozione delle celle di misura, al fine di provarle in laboratorio riparandole o sostituendole se guaste. Le celle di misura furono reinstallate nella pesa nella primavera del 2013. Fritschi conclude: "Qui nello Illgraben vogliamo continuare la ricerca ancora per alcuni anni – non abbiamo ancora ben compreso tutti i processi fisici degli smottamenti."

Resistenza ai pesanti impatti

Le forze risultanti vengono misurate in tonnellate, e ciò è un'indicazione delle enormi forze coinvolte. "Quindi la tecnologia di misura non deve solo restituire risultati precisi, ma anche possedere una notevole resistenza," continua Fritschi. "I massi di grandi dimensioni della slavina rotolano sulla pesa ad alta velocità, agendo su di essa con forti impatti. I trasduttori di forza devono essere in grado di resistere a questi carichi massicci. Non possiamo costruire alcuna protezione da sovraccarico – lo smottamento deve effettivamente esercitare la forza che possiede."

Basandosi sulle misurazioni finora effettuate sullo Illgraben, si possono raggiungere le 40 tonnellate di carico in compressione che scorre alla velocità di fino a sei metri al secondo. L'appoggio ad elastomero del sistema di sensori HBM assorbe queste forze. Tuttavia, tali forze non sono l'unica sfida tecnologica: È anche necessario operare in modo affidabile in un ambiente estremamente ostile. "La pesa è circondata da fango ed acqua. È freddo in inverno e caldo in estate. Il sistema viene mantenuto asciutto, me le condizioni di misura sono estremamente dure," aggiunge Fritschi.

Misurazione degli smottamenti: Rilevazione di forze estreme

Durante gli smottamenti, tonnellate di detriti, fango ed acqua precipitano a valle dai fianchi dei monti. Per meglio comprendere le forze in gioco, l'Istituto Federale di Ricerca Svizzero WSL utilizza una pesa speciale realizzata con la tecnologia di misura HBM.

"Se avete mai visto una slavina precipitare giù dalla montagna, non ne dimenticherete presto il tuono ed il ruggito", afferma la Dottoressa Yolanda Deubelbeiss, scienziata dell'Istituto Federale di Ricerca Svizzero.

Gli smottamenti capitano frequentemente durante o dopo pesanti precipitazioni o quando la neve si sta sciogliendo. Allorché il materiale sciolto diventa saturo d'acqua, esso inizia a scorrere raccogliendo tutti i detriti lungo il suo percorso. Alberi e macigni vengono catturati dal flusso e trascinati a valle, spesso seguendo il corso dei torrenti o dei calanchi alla velocità di parecchi metri al secondo, con risultati devastanti per qualsiasi cosa incontrino. "La slavina diventa particolarmente pericolosa se prende una nuova strada fuori dal letto del torrente. Può causare seri danni alle case, ai ponti ed alle strade," spiega la geologa.

Le mappe di pericolo indicano l'estensione delle zone a rischio ed i danni potenziali che potrebbero capitare. Esse si basano in parte sulle simulazioni al calcolatore con scenari definiti, ma anche e soprattutto sulle osservazioni sul campo e sui danni causati dalle slavine precedenti. Ad esempio, queste conoscenze giocano un ruolo importante nella pianificazione regionale, o possono portare alla costruzione di barriere, dighe od ampliamenti del letto dei torrenti. "I modelli al calcolatore ci consentono solo di trarre conclusioni teoriche sul comportamento del flusso dello smottamento."

Per fornire una miglior protezione delle persone contro queste forze enormi, necessitiamo di una miglior comprensione di ciò che accade all'interno di una slavina. Ciò farà progredire il nostro lavoro sui modelli di simulazione rendendoli più realistici nel riflettere i processi naturali," spiega la Dottoressa Deubelbeiss. Ad esempio, ciò potrebbe facilitare la previsione di quanto lontano possano allontanarsi certe parti dal flusso principale.

Pesatura degli smottamenti

Con questo obiettivo, nel 2000 l'Istituto Federale di Ricerca Svizzero per la Foreste, la Neve ed il Paesaggio (WSL) ha realizzato una stazione di osservazione delle slavine sullo Illgraben, un torrente detritico nel Cantone Vallese nelle Alpi Svizzere. "La località è ideale, essendo l'Illbach uno dei più attivi torrenti di montagna nelle Alpi Svizzere con numerosi smottamenti ogni anno, di cui possiamo misurare i processi naturali," afferma la Dottoressa Deubelbeiss. Fin dal 2004, alla pesa per smottamenti sono stati aggiunti strumenti di misura quali una videocamera e dei sensori ad ultrasuoni ed a radar. "La pesa ci aiuta a meglio comprendere i processi fisici all'interno dello smottamento, invece che a limitarci all'osservazione visiva dall'esterno," prosegue l'esperta. Secondo l'istituto di ricerca, questo progetto è il primo e più grande al mondo del suo genere. 

Misurazione disaccoppiata delle forze

Montaggio della pesa per smottamenti
Celle di carico e trasduttori di forza installati nella pesa

Per la pesa, gli scienziati usarono le fondamenta di cemento di un ponte. La sua piattaforma ad U abbraccia il letto del torrente Illbach. La pesa effettiva è incorporata in queste fondamenta. Una piastra di acciaio di otto metri quadri, spessa dodici millimetri e pesante 300 chilogrammi è supportata da un'intelaiatura di acciaio consistente di sezioni HEB360 (2800 chilogrammi) che, a sua volta, poggia sulle celle di misura.

"Non è stata una cosa semplice costruire una pesa in grado di misurare tali enormi forze dinamiche. Dopotutto, la slavina è in continuo movimento. Non possiamo fermarla per poterla misurare." dice Bruno Fritschi, esperto di tecnologia delle misure allo WSL. Per raffigurare le forze all'interno di una slavina, la pesa registra le forze normali verticali. Queste sono le forze che premono dall'alto sul terreno. Contemporaneamente esse determinano le forze di taglio orizzontali.

Si tratta del carico esercitato dal continuo movimento in avanti del materiale. Viene misurata anche la profondità del flusso, la sua velocità e la pressione interstiziale. "Dalla combinazione di questi punti di dati otteniamo innanzi tutto una panoramica realistica delle forze in gioco in una slavina. Nel contempo, tale interazione è la più grande sfida per la tecnologia di misura, poiché i valori devono essere considerati in modo disaccoppiato l'uno dall'altro," spiega Fritschi. "Questa è la ragione per cui decidemmo di usare i trasduttori di forza HBM. I prodotti HBM offrono non solo sistemi di sensori di alta precisione, ma ci consentono di misurare le forze verticali senza che quelle orizzontali influenzino i risultati."

Un aspetto critico dell'impianto è il trasferimento della forza dalla piastra di acciaio alla cella di carico (tipo C2 da 50 tonnellate) mediante appoggio ad elastomero. Gli appoggi ad elastomero ZEL sono costituiti da fogli di acciaio e strati di gomma disposti uno sopra all'altro ed uniti fra loro mediante vulcanizzazione. Quando trasferiscono la forza, la parte elastica elimina praticamente le forze laterali: lo strato di gomma trasla e gli effetti della forza laterale non vengono trasferiti alla cella di carico. Anche due celle di carico U2A da 20 tonnellate assorbono la forza laterale dello smottamento, minimizzando le derivazioni (shunt) della forza mediante giunti articolati.  

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