Explicit Lagrangian simulation of landslide runouts

Landslides are one of the most destructive hazards in nature, representing a potentially high risk for human life and built environment. Among them, a category of particular interest for Structural Engineering is represented by landslides impacting water bodies such as artificial or natural reservoirs, fiords or estuaries, inducing the creation and propagation of large waves. The catastrophic relevance of these events has stimulated intensive investigations in order to be able to predict the occurrences and the magnitude of these events and to develop site hazard evaluation. In particular, in this thesis the attention will be focused on those landslides (e.g. debris flow) which can be described as a non linear viscous fluid, reasonably modeled by a Bingham Law. A Lagrangian Particle Finite Element Method has been developed to simulate the landslide evolution, under the general assumption of compressible flow. This framework has lead to an efficient explicit solution scheme with decoupled equations, with no need for solving linearized system as in the incompressible approach, which is usually employed in these cases. The solution scheme has been validated through several test cases, where its results have been compared with experimental tests and numerical simulation obtained with other approaches. In all the considered test cases, the present method showed satisfactory results in terms of accuracy both in the representation of the evolution of the flow and in the mass conservation, which on the contrary constitutes a remarkable issue in the incompressible flow approach. Then, the solution scheme has been modified to deal with flows of different materials. The main modification consists essentially in treating separately the two material flows, introducing a contact algorithm at the interface to guarantee the non-penetration condition. The multi-material solution scheme allows to simulate the events of landslides impacting with water reservoirs with the subsequent generation and propagation of water waves. The accuracy of the method has been verified through comparison with results obtained from experimental tests performed at the Swiss Institute of Technology (ETH) and with other numerical approaches. Finally, the simulation of the 1958 Lituya-Bay landslide-generated impulse wave has been performed, comparing the results against a scaled-down experiment and other published numerical results. In both cases the proposed approach proves to be suitable to capture the complex phenomena that occur during the whole process of the landslide-generated waves. Moreover, comparisons with experimental and numerical data show a good agreement for all the tested cases.

Le frane sono uno dei fenomeni con capacità distruttive maggiori in natura, e costituiscono un rischio potenzialmente molto elevato per l’incolumità dell’uomo e dell’ambiente costruito. Tra i vari tipi di frane, una categoria di particolare interesse per l’Ingegneria Strutturale è rappresentata da frane che impattano un bacino idrico di origine naturale o artificiale, inducendo la creazione e propagazione di grandi onde. La rilevanza di questi eventi catastrofici ha dato un forte impulso alla ricerca in questo campo, in modo da acquisire competenze per prevederne l’innesco e l’intensità e valutare la pericolosità delle varie zone. In particolare, nella presente tesi l’attenzione verrà concentrata su quei tipi di frane, come le colate detritiche, il cui comportamento può essere avvicinato a quello di un fluido viscoso non lineare, modellabile attraverso un legame di tipo Bingham. Un Metodo agli Elementi Finiti Particellari Lagrangiano è stato sviluppato per simulare lo sviluppo di frane sotto l’ipotesi di materiale comprimibile. Con tale approccio si è ottenuto un risolutore esplicito efficiente, con equazioni disaccoppiate e, quindi, senza necessità di affrontare la soluzione di sistemi linearizzati, come nell’approccio incomprimibile, generalmente impiegato in questi casi. L’algoritmo è stato validato attraverso la simulazione di alcuni casi test, per un confronto con risultati sperimentali e provenienti da altri approcci numerici. Tale confronto ha dato risultati molto soddisfacenti sia in termini di accuratezza nella riproduzione dell’evoluzione del flusso, sia in termini di conservazione della massa, che costituisce una delle problematiche più limitanti dell’approccio incomprimibile. Successivamente, l’algoritmo è stato modificato al fine di poter trattare casi di interazione tra flussi di materiali diversi. In particolare la modifica ha permesso che i diversi flussi fossero trattati separatemente, introducendo allo stesso tempo un algoritmo di contatto per evitare la compenetrazione tra essi. Il codice così ottenuto permette quindi di simulare gli eventi franosi in bacini idrici che generano la formazione di onde impulsive. L’accuratezza del metodo è stata verificata attraverso il confronto con prove sperimentali svolte al Swiss Institute of Technology (ETH) e con le simulazioni delle stesse prove, eseguite con altri approcci numerici.Infine è stata eseguita la simulazione dell’onda tsunami che si è generata a Lituya Bay, dopo il celebre evento franoso nel 1958. I risultati sono stati nuovamente confrontati con risultati sperimentali ottenuti da prove su di un modello in scala e con simulazioni ottenute con altri approcci. Il modello ha dimostrato di essere adatto a rappresentare i complessi fenomeni che avvengono nei casi di onde generate da eventi franosi; da tutti i confronti infatti è emerso come i risultati siano in accordo con quelli sperimentali e numerici.