Analisi di fragilità sismica dei sistemi di generazione di energia solare

La diffusione degli impianti fotovoltaici in ambito civile e industriale impone una riflessione sempre più approfondita sulla loro sicurezza strutturale, soprattutto in contesti sismici. Quando questi sistemi sono installati su edifici strategici, come ospedali o centri di emergenza, la loro funzionalità diventa parte integrante della resilienza complessiva dell’infrastruttura. Tuttavia, la risposta sismica delle strutture di supporto ai pannelli risulta ancora poco indagata nella letteratura tecnica. Il contributo presentato da Andrea Santo Scarlino ad ANIDIS 2025 affronta proprio questo tema, proponendo un approccio innovativo per valutare la fragilità sismica dei sistemi fotovoltaici. Lo studio si inserisce in un contesto di crescente attenzione verso l’integrazione tra sicurezza strutturale e sostenibilità energetica. I risultati offrono spunti utili per lo sviluppo di criteri progettuali più consapevoli.

La crescente diffusione degli impianti fotovoltaici rappresenta uno dei pilastri della transizione energetica, ma porta con sé interrogativi ancora poco esplorati sul piano della sicurezza strutturale. In particolare, quando questi sistemi vengono installati su edifici strategici – come ospedali o centri di emergenza – la loro affidabilità in condizioni sismiche diventa un tema cruciale. Il contributo presentato da Andrea Santo Scarlino ad ANIDIS 2025 affronta proprio questo nodo, proponendo una prima analisi organica della fragilità sismica dei sistemi per la generazione di energia solare installati in copertura.

Il gap nella letteratura: il comportamento sismico dei sistemi fotovoltaici

Negli ultimi anni, la ricerca sugli impianti fotovoltaici si è concentrata prevalentemente sugli effetti dei carichi statici e ambientali, come vento, neve e variazioni termiche. Tuttavia, la risposta dinamica di questi sistemi sotto azione sismica è rimasta sostanzialmente in secondo piano. Questo vuoto conoscitivo risulta particolarmente rilevante se si considera che le strutture di supporto, spesso caratterizzate da dettagli costruttivi non ottimizzati e da fenomeni di degrado nel tempo, possono rappresentare l’anello debole dell’intero sistema.

Il problema si amplifica quando tali impianti sono integrati su edifici strategici, chiamati a rimanere operativi anche dopo eventi sismici significativi. In questo contesto, la perdita di funzionalità dei sistemi energetici può compromettere la gestione dell’emergenza, evidenziando la necessità di un approccio progettuale orientato alla resilienza.

La presente relazione è stata presentata ad ANIDIS 2025 (Assisi, 7-11 settembre) e gli autori sono: Andrea Santo Scarlino, Daniele Perrone, Ricardo Monteiro, Josè Miguel Castro, Maria Antonietta Aiello.

Modellazione e approccio a cascata: analizzare l’interazione struttura-impianto

Lo studio propone un approccio metodologico basato su un modello agli elementi finiti semplificato e sull’analisi a cascata, una tecnica particolarmente efficace per trattare l’interazione tra struttura principale e componente non strutturale.

In una prima fase, l’edificio ospedaliero – modellato come telaio in calcestruzzo armato – viene analizzato sotto input sismici rappresentati da accelerogrammi spettro-compatibili, selezionati per diversi periodi di ritorno. Le analisi multiple stripe consentono di ottenere le accelerazioni al livello della copertura, che diventano l’input per la seconda fase.

Successivamente, il sistema fotovoltaico viene analizzato separatamente utilizzando tali input. Il prototipo studiato è costituito da una struttura modulare in acciaio e alluminio, progettata per essere trasportabile e dispiegabile rapidamente, con configurazioni pieghevoli e componenti leggere. Il modello numerico, sviluppato in ambiente open source, riproduce le principali caratteristiche meccaniche e cinematiche del sistema, inclusi i vincoli di ancoraggio e le cerniere funzionali.

Le analisi modali e le simulazioni dinamiche lineari nel dominio del tempo permettono di individuare gli spostamenti nei punti critici, in particolare nei nodi di ancoraggio dei pannelli. Da questi vengono derivate grandezze ingegneristiche fondamentali, come le distorsioni nel piano e le inflessioni fuori piano.

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Stati limite e criteri di danno: una definizione basata sull’esperienza

In assenza di riferimenti consolidati in letteratura, lo studio introduce tre stati limite definiti sulla base della pratica ingegneristica e del giudizio esperto. Il primo stato limite è associato a danni minori, come microfratture nelle celle fotovoltaiche e deformazioni leggere del telaio, individuato al superamento di spostamenti relativi di 5 mm.

Un secondo livello identifica un danno più severo, con possibili distacchi meccanici e danneggiamenti del telaio, corrispondente a 10 mm di spostamento relativo. Infine, il terzo stato limite rappresenta il collasso funzionale del sistema, legato alla rottura dei vetri e alla perdita completa di operatività, al superamento dei 15 mm.

Questa classificazione consente di tradurre i risultati numerici in termini prestazionali, offrendo una prima base per future analisi di fragilità e valutazioni probabilistiche del rischio.

Risposta sismica e risultati: il ruolo della direzione dell’azione

I risultati evidenziano come il comportamento del sistema sia fortemente influenzato dalla direzione dell’azione sismica. In particolare, la direzione trasversale rispetto alla struttura principale genera risposte più critiche, con valori maggiori di distorsioni e inflessioni.

L’analisi statistica dei risultati, condotta su un ampio set di simulazioni dinamiche, mostra che il primo stato limite viene frequentemente superato, indicando una vulnerabilità diffusa a danni leggeri. Il secondo stato limite viene raggiunto solo in casi isolati, mentre il collasso non si verifica in nessuna delle simulazioni considerate.

Un ulteriore elemento di rilievo è rappresentato dall’aumento della dispersione dei risultati all’aumentare dell’intensità sismica, segnale di una crescente variabilità nella risposta strutturale. Questo aspetto sottolinea l’importanza di approcci probabilistici nella valutazione delle prestazioni.

Verso una progettazione più consapevole e resiliente

Il lavoro di Scarlino rappresenta un primo passo significativo verso una comprensione più approfondita della fragilità sismica dei sistemi fotovoltaici. I risultati ottenuti, seppur preliminari, evidenziano chiaramente la necessità di sviluppare criteri progettuali specifici per questi sistemi, soprattutto quando destinati a contesti strategici.

Le prospettive future includono l’introduzione di dettagli costruttivi migliorativi, capaci di incrementare rigidezza e resistenza, e lo sviluppo di modelli numerici più sofisticati, in grado di cogliere con maggiore accuratezza i fenomeni non lineari e le interazioni complesse.

In un contesto in cui sostenibilità e sicurezza devono procedere di pari passo, l’integrazione tra ingegneria strutturale e sistemi energetici rappresenta una sfida imprescindibile. Studi come questo contribuiscono a tracciare la strada verso soluzioni più affidabili, resilienti e coerenti con le esigenze delle infrastrutture del futuro.