Il ruolo della robustezza strutturale nella riduzione del rischio verso eventi estremi

 Che cos'è la robustezza

edificio in calcestruzzoNegli ultimi decenni gli edifici progettati secondo norme convenzionali hanno dimostrato di non essere necessariamente in grado di resistere ad eventi estremi, quali ad esempio gli impatti, le esplosioni o gli incendi. Tali eventi sono caratterizzati da una bassa probabilità di accadimento ma, al contempo, da conseguenze catastrofiche generalmente derivanti dalla propagazione di danni localizzati in uno o più elementi, sino al crollo parziale o totale della struttura. Questo particolare fenomeno di crollo è denominato “collasso progressivo” della struttura. Se vi è sproporzione tra l’entità del danno finale e quella del danno iniziale, come tipicamente accade nel caso in specie, si parla anche di “collasso sproporzionato” e la capacità della struttura di evitarlo si definiscerobustezza”.

Robustezza e normative

In ambito europeo, il concetto di robustezza strutturale è menzionato nell’Eucorodice 1 –Parte 1-7 [1]: questo codice definisce appunto la robustezza come la capacità di una struttura di resistere ad eventi quali incendi, esplosioni, urti o conseguenze di errori umani, senza essere danneggiata in maniera sproporzionata rispetto alla causa di origine. Al riguardo, l’Eurocodice 1 indica vari approcci per garantire che la struttura possegga tale proprietà:

1) progettare alcuni “componenti chiave” per aumentare la probabilità di sopravvivenza della struttura dopo un evento eccezionale;
2) progettare adeguati dettagli costruttivi e con materiali ed elementi strutturali duttili, capaci di assorbire una significativa energia di deformazione senza giungere a rottura;
3) realizzare una sufficiente iperstaticità nella struttura per facilitare il trasferimento delle azioni sfruttando percorsi di carico alternativi, in seguito ad un evento eccezionale.

In Italia, le Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC) del 2008 [2], al § 2.1 inquadravano la robustezza nei confronti di azioni eccezionali come requisito prestazionale aggiuntivo che una struttura deve possedere, oltre la sicurezza nei confronti degli stati limite di esercizio e degli stati limite ultimi. Le stesse NTC 2008 fornivano anche prime indicazioni progettuali secondo cui la robustezza dell’opera poteva essere verificata attraverso un’analisi globale della struttura applicandovi, in aggiunta alle altre azioni (non sismiche e da vento), azioni nominali convenzionali orientate secondo due direzioni orizzontali e mutuamente ortogonali e con intensità pari all’1% dei carichi gravitazionali.

Le nuove NTC 2018 [3], in vigore dal 22 marzo 2018, al § 2.2.5 suggeriscono diverse strategie di progettazione cui fare riferimento per garantire un adeguato livello di robustezza, in funzione dell’uso previsto dalla costruzione, ovvero:

1) progettare la struttura in grado di resistere ad azioni eccezionali di carattere convenzionale, combinando valori nominali delle azioni eccezionali alle altre azioni esplicite di progetto;
2) prevenire gli effetti indotti dalle azioni eccezionali alle quali la struttura può essere soggetta o ridurre la loro intensità;
3) adottare una forma e tipologia strutturale poco sensibile alle azioni eccezionali considerate;
4) adottare una forma ed una tipologia strutturale tale da tollerare il danneggiamento localizzato causato da un’azione di carattere eccezionale;
5) realizzare strutture quanto più ridondanti, resistenti e/o duttili è possibile;
6) adottare sistemi di controllo, passivi o attivi, adatti alle azioni e ai fenomeni ai quali l’opera può essere sottoposta.

Al § 3.6 classifica le azioni eccezionali come quelle che si presentano in occasione di eventi quali incendi, esplosioni ed urti ed afferma che è opportuno che le costruzioni possiedano un grado adeguato di robustezza, in funzione dell’uso previsto della costruzione, individuando gli scenari di rischio e le azioni eccezionali rilevanti ai fini della sua progettazione, secondo quanto indicato al § 2.2.5.

Azioni eccezionali, quali incendi ed esplosioni, possono essere meritevoli di insegnamenti trasversali tra l’ingegneria civile e l’ingegneria industriale, che amplificano sensibilmente il campo d’azione di un ingegnere. E’ proprio questa considerazione che, nell’ambito del Master di secondo livello in Ingegneria Forense presso l’Università degli Studi di Napoli Federico II (ormai giunto alla decima edizione consecutiva in fase di completamento), ha portato ad istituire l’insegnamento di “Incendi ed Esplosioni” che fornisce le basi per la comprensione di tali fenomeni e la modellazione delle azioni che essi producono sulle strutture [4].

Secondo la circolare esplicativa [5] delle NTC 2018, al §C2.2.5, l’effettivo livello di robustezza di una costruzione dipende anche, ed in modo non trascurabile, dalle peculiarità del progetto, ed è estremamente complesso da quantificare attraverso prescrizioni progettuali, unicamente riconducibili a verifiche numeriche; esso attiene, più in generale, alla corretta concezione dell’organismo strutturale e dei suoi dettagli costruttivi.

In via generale, la progettazione delle costruzioni condotta secondo le prescrizioni contenute nelle NTC, tenuto conto dei criteri di progettazione per le azioni sismiche, garantisce il conseguimento di livelli di robustezza che possono essere ritenuti tipicamente soddisfacenti. 

Le verifiche per le azioni eccezionali, riferite a scenari di rischio prevedibili in sede di progetto, fanno parte del complesso delle misure da adottare per il conseguimento della robustezza.

L’Eurocodice 1 – Parte 1-7 definisce anche due stati limite di integrità strutturale:

  • collasso parziale o totale di tipo sproporzionato e causato da un’azione accidentale o dalla crisi di un componente strutturale (che segue un criterio di accettabilità del collasso di singoli componenti);
  • collasso di un singolo componente strutturale capace di porre a rischio l’incolumità delle persone (che, al contrario, un criterio di inammissibilità del collasso di singoli componenti).

Per le strutture di nuova costruzione la robustezza può essere verificata valutando che l’estensione del danno sia limitata per molteplici scenari di azioni o di danno localizzato, mentre per quelle esistenti valutando l’efficacia delle misure strutturali e non strutturali applicate per ridurre il rischio e, quindi, la probabilità di che si raggiunga o si superi uno stato limite.

La valutazione della robustezza strutturale

Gli approcci da utilizzare per la valutazione della robustezza dipendono innanzitutto dalla conoscenza della tipologia e dell’intensità dell’evento.

Nel caso di eventi di tipologia nota e la cui occorrenza ed intensità sono modellabili probabilisticamente grazie alla disponibilità di statistiche degli eventi passati, è possibile eseguire un’analisi quantitativa del rischio di collasso progressivo, in cui si considerano sia le incertezze legate all’azione che quelle associate alla struttura. Si ottiene, dunque, la probabilità di collasso che, sostanzialmente, moltiplicata per un valore esposto fornisce il valore atteso della conseguenza di un evento estremo, ovvero il rischio quantificato in termini di perdita economica o, ad esempio, di vite umane.

Spesso accade, però, che non vi siano statistiche sufficienti per caratterizzare una particolare tipologia di evento estremo, per cui non è possibile modellarlo probabilisticamente ed è necessario ricorrere ad un’analisi di scenario. Quest’ultima può essere basata sull’assunzione di uno scenario definito in termini di azioni (ad esempio un’esplosione che avviene ad una distanza R dalla struttura e con intensità A) o di danno iniziale (ad esempio il collasso di un elemento strutturale verticale in una prefissata posizione). Il primo approccio si dice dipendente dalla minaccia, mentre il secondo si dice indipendente da essa. In entrambi i casi è comunque possibile valutare se e quanto si possa propagare il danno iniziale, eventualmente degenerando in un collasso progressivo. È così possibile quantificare la robustezza attraverso un’opportuna misura della capacità portante della struttura pre-danneggiata. Quando la robustezza viene valutata per eventi sconosciuti e imprevedibili, si dice anche che si procede con un approccio alle conseguenze, deterministico o probabilistico che sia.

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