L’incendio dopo il sisma: prescrizioni per la progettazione antisismica delle componenti non-strutturali

Le componenti non strutturali: prevenzione e protezione nella progettazione di sicurezza sismica

Il rischio di innesco di incendi causati da un sisma è normalmente, nel nostro paese, ampiamente disatteso. Eppure il pericolo che un terremoto danneggi un componente impiantistico è elevatissimo in virtù delle diversificate condizioni deformative delle condotte e delle tubazioni rispetto a quelle della struttura costituendo questo un problema ai fini della strategia globale per la sicurezza antincendio negli edifici. Esiste cioè un forte nesso causale fra terremoto e incendio nel quale la vulnerabilità degli impianti, in particolare quelli per la adduzione del gas, gioca un ruolo determinante. È pertanto logico ed opportuno gestire il problema della sicurezza in modo sistemico attraverso un incremento della collaborazione interdisciplinare tra i progettisti e installatori introducendo un approccio progettuale integrato multi-hazard, ossia considerando i fattori di rischio incendio collegati all’evento sismico e fare in modo di porre in atto, simultaneamente, adeguate misure di prevenzione e protezione sia sul fronte antincendio che antisismico.

Ai fini di una panoramica sulle tecnologie possibili, negli ultimi anni un notevole numero di approcci metodologici, più o meno riconosciuti e validati, sono stati elaborati dagli analisti del rischio e dagli ingegneri della sicurezza antincendio. Tra le varie metodiche utilizzate, al di là delle specificità di applicazione, troviamo: le matrici di rischio, la classificazione dei rischi, le liste di controllo ed i metodi ad indici, tra cui il metodo F.R.A.M.E., e i metodi causa-effetto.

Le matrici dei rischi

In tal senso, le matrici dei rischi possono essere considerate la metodologia di analisi più vicina alla definizione di misura del rischio stesso. Più di un’analisi vera e propria, sarebbe più appropriato parlare della formalizzazione di un giudizio esperto o della rappresentazione delle caratteristiche di un rischio ottenute mediante una metodica qualitativa, quantitativa o semi-quantitativa più evoluta. Tale matrice considera una serie di parametri significativi e specificatamente: 

  • il fattore di pericolo “Pe” relativo alla probabilità associata a rilascio di sostanze infiammabili;
  • il fattore “la” connesso con la presenza di una fonte di innesco/accensione;
  • il fattore “C” relativo alla gravità del danno atteso per la sicurezza degli occupanti;
  • il fattore “K” che rappresenta un coefficiente di riduzione del rischio in relazione alle misure di prevenzione e protezione adottate.

Il rischio, dati i parametri sopra esposti, può essere definito mediante la seguente relazione:

R = Pe x Ia x C x K

La valutazione di ciascun aspetto viene effettuata attraverso liste di riscontro con punteggio. Il calcolo del fattore complessivo è effettuato a partire dai valori attribuiti ai singoli aspetti considerati.

Di particolare interesse per l’ingegneria antincendio, gli elementi e i sistemi non strutturali che sottoposti ad azione tagliante si deformano in maniera differenziata rispetto alla struttura.

L'impiantistica durante i terremoti 

Ciò crea situazioni di pericolo soprattutto per l’impiantistica, vuoi per il loro contenuto vuoi per non essere più idonea ad erogare acqua ai fini delle possibilità di spegnimento. Similmente alla vulnerabilità delle parti strutturali, le norme forniscono anche i criteri per la limitazione dei danni agli impianti in funzione delle deformazioni derivanti sia dagli elementi strutturali sia delle vibrazioni. In particolare, gli impianti devono rispettare la condizione che siano idonei a sopportare le stesse deformazioni se le tubazioni sono solidali con la struttura, le tamponature e le tramezzature.

Per quel che riguarda le vibrazioni indotte sulla struttura dal sisma può verificarsi che qualora questa non subisca danni significativi, le accelerazioni producano sugli impianti forze d’inerzia troppo elevate che producono comunque danni. In particolare, poi, gli edifici destinati ad uso ufficio normalmente presentano uno spazio controsoffittato all’intradosso dei solai. Tale strato ospita, generalmente, condutture, impianti e apparecchiature associate come bocchette di ventilazione a soffitto, condotti elettrici, testine sprinkler. Tale sistema deve rispondere all’azione sismica nel suo insieme risultando una delle principali fonti da danno sismico dovuto all’interazione tra i vari elementi. Questo conferma che per la buona capacità di risposta degli impianti non si deve agire sul singolo elemento ma si deve valutare il sistema nel suo insieme considerando anche le eventuali interazioni.

Cosa prevede la normativa amaricana nella progettazione delle componenti non strutturali

Particolarmente interessante ed avanzata, in tal senso, è la normativa americana ASCE/SEI 7-10 – Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures emanata dalla American Society of Civil Engineers e ASHRAE 2007 Handbook emanata dall’American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers. In particolare la ASCE/SEI 7-10 risulta essere una norma a carattere generale in merito alla definizione delle sollecitazioni da utilizzare nella progettazione degli edifici dove al capitolo 13 vengono trattate le prescrizioni per la progettazione antisismica dei componenti non-strutturali degli edifici.

Per componenti non-strutturali vengono considerati sia gli elementi architettonici portati dalla struttura (setti di separazione, parapetti, ornamenti, etc.) con le loro rispettive connessioni, sia gli impianti tecnologici (meccanici ed elettrici) con i rispettivi ancoraggi.

Nella parte generale della norma (§§ 13.1 e 13.2) vengono definite le seguenti tematiche:

  • gli scopi della norma stessa;
  • la caratterizzazione sismica dei componenti non-strutturali;
  • esenzioni e applicabilità della norma nel fissare i minimi criteri antisismici di progetto per gli elementi non-strutturali permanentemente collegati alle strutture e per i loro supporti e connessioni.

Oltre agli scopi della norma, in tale parte (§ 13.1.2) vengono caratterizzati dal punto di vista sismico gli elementi considerati, descrivendo come la Categoria Sismica di Progetto (Seismic Design Category) dei componenti non-strutturali è la medesima delle strutture alle quali gli elementi sono vincolati. Oltre a ciò, viene definito il Coefficiente di Importanza Ip (Importance Factor) dei componenti che può assumere i valori 1,0 e 1,5 in relazione alle caratteristiche della struttura nella quale il componente è installato. In particolare, per le seguenti situazioni si ha un valore del Coefficiente di Importanza pari a 1,5:

  • il funzionamento del componente è determinante per la sicurezza e l’incolumità delle persone anche dopo il terremoto (es. impianti sprinkler);
  • il componente contiene materiali pericolosi;
  • il componente è connesso o è all’interno di una struttura Occupancy Category IV (edifici destinati alle funzioni essenziali quali ospedali, caserme, rifugi, depositi idrici, etc.) e il suo funzionamento è necessario per la continuazione delle operazioni di supporto e il suo malfunzionamento potrebbe interrompere tali attività.

Negli altri casi (Occupancy Category I, II e III) viene abitualmente considerato un Coefficiente di Importanza pari a 1,0. Ulteriori indicazioni vengono fornite in merito alle conseguenze dei danni causati dai componenti non-strutturali. In particolare al § 13.2.3 si precisa che nella progettazione devono essere considerate le interazioni tra questi componenti affinché la rottura di uno di essi non causi il cattivo funzionamento di altri che risultano essenziali al mantenimento della operatività della struttura. Per quanto riguarda le caratteristiche proprie dei componenti non-strutturali, viene precisato che (§ 13.2.4) nella progettazione dell’elemento e dei suoi collegamenti alla struttura dovrà essere considerata anche la capacità del componente di assorbire le deformazioni imposte dalla struttura e dal sisma oltre alla sua resistenza. In questa parte della norma si danno indicazioni per il ricorso a prove e dati provenienti dalla sperimentazione, alternativi alle metodologie illustrate in tale documento, finalizzati alla determinazione delle capacità sismiche degli elementi (§ 13.2.5 e 13.2.6). Infine, si specifica che, nel momento in cui è richiesto il progetto antisismico, nell’elaborato redatto da professionista abilitato dovrà essere presente il progetto di ogni elemento non-strutturale. Nei §§ 13.3 e 13.4 vengono definite le sollecitazioni e gli spostamenti sismici da utilizzare per la progettazione degli elementi non-strutturali e dei rispettivi ancoraggi alla struttura portante.

Sono stati sviluppati molti dispositivi appositi per limitare gli spostamenti di componenti non strutturali indotti dall’azione delle forze e delle deformazioni sismiche. Informazioni dettagliate circa i dispositivi di ancoraggio sismico possono essere ottenute dal costruttore del dispositivo (ad esempio, B-line, CalDyn, GS Metals, International Seismic Application Technology, Mason Industries, Tolco, e Unistrut).

I manicotti costituiscono un potenziale punto di vulnerabilità del sistema in quanto possono danneggiarsi a causa di movimenti differenziali tra le parti giuntate. Tenuto conto che molte strutture in c.a. o acciaio hanno un comportamento sismico del tipo shear-type, uno dei criteri di progettazione generalmente adottati è quello di prevedere giunti rigidi nelle tubazioni orizzontali in modo che le tratte a ridosso del soffitto o a pavimento si spostino solidalmente con gli orizzontamenti cui sono ancorate. L’adozione di manicotti flessibili è, invece, prevista in tutti i punti di possibile cerniera e in particolare alle estremità delle singole tratte verticali d’interpiano e in corrispondenza di giunzioni tra parti che possono essere soggette a moti relativi (giunti di separazione). Per evitare danni alle giunzioni in prossimità dei manicotti, soprattutto se flessibili, è necessario prevedere un sostegno laterale di controvento.

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Dettagli della colonna montante 

Le norme sismiche richiedono l’introduzione di giunti sismici strutturali in corrispondenza dei quali la costruzione è separata in modo tale che le due parti si muovano indipendentemente una dall’altra. In corrispondenza di tali giunti è necessario montare manicotti flessibili su qualsiasi tipo di tubazione che li attraversa. Qualora la configurazione adottata per gli impianti sia del tipo a maglia o a rastrelliera, il numero di passaggi attraverso i giunti di separazione potrebbe essere significativamente elevato. Se in zona non sismica il sistema a maglia è solitamente considerato come quello più conveniente, in zona sismica, tenuto conto della necessità di inserire i dispositivi sui giunti sismici, distribuzioni radiali centro-alimentate o ad albero risultano più convenienti perché consentono di ridurre il numero di attraversamenti dei giunti stessi limitandoli alle sole condutture principali di alimentazione. Da entrambe le parti contrapposte di un giunto di separazione sismica devono essere installati quattro sway braces entro 1,8 m dal giunto stesso.

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Giunto sismico di separazione

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