Analisi sperimentale della risposta strutturale di componenti sottoposti ad esplosioni e incendi

Questo lavoro descrive un tubo d’urto a doppio diaframma (shock tube), situato presso il laboratorio di Impatto e Scoppio del Politecnico di Milano, utilizzato per studiare la risposta strutturale di meso-strutture, come piastre circolari, sottoposte a onde d’urto. Questa attrezzatura sperimentale è stata progettata per indagare il comportamento strutturale di edifici, ponti e gallerie in caso di esplosioni o incendi causati da eventi accidentali o attacchi terroristici.

Una delle caratteristiche innovative dell'attrezzatura è la presenza di una speciale camera terminale, concepita per studiare l'interazione suolo-struttura, utile, ad esempio, per simulare esplosioni interne nelle gallerie. Un’altra particolarità è la possibilità di analizzare l'interazione tra incendio e scoppio, grazie alla presenza di un bruciatore amovibile. Per dimensioni, prestazioni e finalità, questa attrezzatura risulta ad oggi unica al mondo. Nella memoria sono descritte le caratteristiche principali dell’attrezzatura, le sue prestazioni e le procedure operative. Sono inoltre presentati alcuni esempi applicativi della strumentazione facendo riferimento ad alcune campagne sperimentali nell’ambito di ricerche relative alla sicurezza di gallerie interrate, gallerie flottanti, pannelli protettivi e pannelli multistrato ad alte prestazioni sottoposti ad esplosioni e incendi.

Se sottoposte ad alte temperature, le strutture in c.a. subiscono un degrado delle proprietà meccaniche

Incendi ed esplosioni rappresentano un grave rischio per edifici e infrastrutture come gallerie e ponti. Possono derivare da incidenti, guasti tecnici o attacchi intenzionali, compromettendo l’integrità strutturale. Nelle gallerie, la combinazione di spazi confinati, ventilazione limitata e materiali infiammabili amplifica gli effetti del calore e delle onde d’urto, rendendo difficile il contenimento del danno. Un esempio di azione combinata incendio-scoppio è l’incidente del 6 agosto 2018 allo svincolo di Casalecchio, sull’A14, dove due camion carichi di GPL e solventi chimici innescarono esplosioni che distrussero un cavalcavia, causando due morti e 145 feriti.

Le strutture in cemento armato subiscono un degrado delle proprietà meccaniche ad alte temperature. Il calcestruzzo, in particolare, può manifestare fenomeni di spalling esplosivo, con distacchi improvvisi di materiale. Questi effetti diventano critici se un’esplosione segue l’incendio, amplificando la vulnerabilità strutturale.

Per mitigare tali rischi, è essenziale studiare il comportamento delle strutture in condizioni estreme tramite sperimentazioni e simulazioni numeriche. Attrezzature innovative, come il tubo d’urto a doppio diaframma descritto in questa memoria, permettono di analizzare la risposta strutturale in scenari estremi. L’integrazione di un bruciatore amovibile consente di riprodurre la sequenza incendio-esplosione, fornendo dati cruciali per sviluppare strategie di protezione e materiali innovativi.

Questo lavoro descrive le caratteristiche dell’attrezzatura sperimentale e il suo utilizzo per studiare la sicurezza di gallerie, ponti e edifici. Particolare attenzione è dedicata alla resistenza di pannelli protettivi e multistrato ad alte prestazioni, progettati per migliorare la risposta strutturale a incendi, esplosioni e impatti.

IF CRASC 2025
La presente relazione è stata presentata in occasione dell'evento IF CRASC'25, tenutosi a Napoli dal 15 al 17 luglio 2025. Scopri di più sulla manifestazione e guarda le interviste ai protagonisti!
LEGGI L'APPROFONDIMENTO

Descrizione del set-up sperimentale

Riproduzione dell’azione esplosiva tramite tubo d’urto

Il laboratorio di Impatto e Scoppio del Politecnico di Milano ospita al suo interno un tubo d’urto a doppio diaframma (denominato shock tube) che per dimensioni e finalizzazione risulta un’attrezzatura, ad oggi, unica al mondo (Colombo et al. 2011; Andreotti et al. 2015). Questo dispositivo è impiegato come simulatore di esplosioni, una tecnica già con- solidata per riprodurre onde d'urto molto simili a quelle generate da prove con esplosivi reali. L’uso di tubi d’ urto per studiare il comportamento strutturale sotto carichi da esplosione è ben documentato in letteratura (Ritzel and Thibault 1987; NATO-AEP-25 1995), in parti- colare per l’analisi della risposta dinamica di piastre in calcestruzzo e calcestruzzo armato in diverse condizioni al contorno, come supporto semplice, vincolo rigido o appoggio diretto al suolo (Toutlemonde et al. 1995; Colombo et al. 2013; Kristoffersen et al. 2018).

In origine, il tubo d’urto era stato sviluppato per studiare il comportamento dei rivestimenti di gallerie interrate sottoposte a esplosioni, mediante una camera appositamente progettata per analizzare l’interazione tra terreno e struttura. Tuttavia, la sua configurazione si è rivelata facilmente adattabile allo studio di piastre soggette a carichi da esplosione, semplicemente modificando la camera terminale.

Il dispositivo è in grado di generare pressioni elevate, con un valore massimo di pressione riflessa di circa 3000 kPa. La Figura 1 mostra lo schema del tubo d’urto nella sua configurazione assemblata senza e con camera provino-terreno (Figure 1a e 1b, rispettivamente). Il sistema è costituito da tre camere montate su una guida lineare: la camera di lancio (driver), la camera del diaframma (o camera tampone) e la camera di propagazione (driven).

L’area di prova, dove viene fissato il campione, si trova all’estremità della camera di propagazione (Figura 1a). Durante gli esperimenti, la camera di lancio e la camera tampone sono pressurizzate con elio, mentre la camera di propagazione contiene aria a condizioni ambientali. Le lunghezze delle camere di lancio, tampone e propagazione sono rispettivamente di 2.35 m, 0.26 m e 10.5 m, con una lunghezza complessiva del tubo d’urto, esclusa l’area di prova, pari a 13.11 m.

Le camere di lancio e propagazione presentano pareti con uno spessore di 13.5 mm, mentre la camera tampone ha un diametro esterno di 857 mm, corrispondente al diametro massimo della flangia saldata alle estremità delle camere di lancio e propagazione; per tutte e tre le camere, il diametro interno è di 481 mm. Il funzionamento del tubo d'urto si basa sulla rottura controllata dei diaframmi, i quali separano la camera di lancio dalla camera di propagazione. Il meccanismo di innesco si attiva quando i due diaframmi in acciaio preincisi, che separano la camera tampone dalle camere di lancio e propagazione, cedono sotto l’effetto della pressione differenziale tra le camere. Durante la rottura, i diaframmi si aprono in quattro settori, consentendo la rapida espansione del gas pressurizzato nella camera di propaga- zione e generando così un’onda d’urto.

Studio dell’interazione scoppio-incendio

Un elemento innovativo di questa attrezzatura è la presenza di un bruciatore amovibile, che consente di combinare l’azione dell’incendio con quella dell'esplosione, permettendo di va- lutare il degrado termico dei materiali prima dell'evento esplosivo.

Uno dei principali problemi negli incidenti in galleria è l’esplosione di un veicolo dopo l’esposizione al fuoco. Per questo motivo, è stata progettata un’apposita attrezzatura per simulare le condizioni di incendio sui provini in esame.
L’attrezzatura include un bruciatore a miscelazione con ugello, in cui gas e aria vengono combinati direttamente al punto di emissione. La potenza del bruciatore varia tra 30 kW a 30°C e 20 kW a 400°C, con una lunghezza della fiamma di circa 350 mm. Il bruciatore è fissato a una camera di combustione tramite una flangia apposita. La camera è progettata per consentire un’adeguata evacuazione dei fumi ed è chiusa su un lato dal provino stesso, in modo da riscaldare la sua superficie esposta verso la camera di propagazione del tubo d’urto.

Lo schema del bruciatore è mostrato in Figura 2, dove sono rappresentati il bruciatore, la camera di combustione e il provino. Il funzionamento del bruciatore è regolato automaticamente per controllare la temperatura dell’aria all’interno della camera e seguire una specifica curva temperatura-tempo. È possibile applicare diverse curve di incendio, come la curva da idrocarburi o la curva ISO 834, con diversi tempi d’esposizione (come ad esempio 60, 120 o 180 minuti). Come illustrato in Figura 2, le curve di incendio sono applicate alla faccia del campione direttamente rivolta verso la fiamma al fine di garantire anche un gradiente termico nello spessore del campione tipico delle condizioni di incendio.

Raggiunto il tempo di esposizione al fuoco prestabilito, il bruciatore viene spento e la camera provino-terreno (o il provino, se privo di camera per il terreno) viene collegata alla camera di propagazione, avviando così la prova con il tubo d’urto. La procedura prevede quindi di applicare l’onda d’urto in condizioni “post-incendio”. Tale condizione “residua” in letteratura è spesso vista, per le strutture in calcestruzzo armato, come maggiormente critica dal punto di vista delle massime temperature raggiunte dal materiale (Buchanan et al. 2017). Generalmente, i provini sottoposti alla curva di incendio sono strumentati con diverse termocoppie per monitorare la temperatura all’interno dello spessore del calcestruzzo (Figura 2a).

Studio dell’interazione terreno-struttura

Una caratteristica peculiare del tubo d’urto descritto nella sezione 2.1 è la possibilità di studiare l’interazione terreno-struttura tipica delle gallerie interrate. A questo scopo alla parte terminale del tubo d’urto può essere agganciata una speciale camera provino-terreno (Figura 1b). Questa sezione ha una lunghezza di 1.8 m, uno spessore di 13.5 mm e un diametro interno di 583 mm. La Figura 3 mostra una sezione verticale della camera provino-terreno. A un’estremità della sezione è saldata una flangia appositamente progettata, che la collega alla camera di propagazione. L’altra estremità è chiusa da una flangia cieca.

Come illustrato in Figura 3, prima dell’esecuzione della prova, il provino viene semplicemente appoggiato sul terreno. Sebbene la configurazione finale della sezione provino- terreno sia orizzontale, nella fase preliminare della prova la camera deve essere posizionata verticalmente per permettere il caricamento del terreno e garantire una stratificazione preci- sa del suolo. La rotazione della camera è resa possibile da un sistema di cuscinetti a perno e rulli. La posizione verticale viene mantenuta tramite una barra d’acciaio ancorata al suolo. In questa posizione, il provino viene inserito nel tubo con l’ausilio di una gru e supportato direttamente dalla flangia. Una volta posizionato, è possibile ottenere diversi gradi di compattazione e livelli di sforzo del terreno. A questo punto, la camera viene chiusa con la flangia cieca e riportata nuovamente in posizione orizzontale.

...Continua a leggere nel PDF in allegato.

Nei prossimi paragrafi verranno presentati alcuni esempi applicativi, oltre alle conclusioni della trattazione.

GUARDA IL VIDEO CON LA RELAZIONE INTEGRALE DI PAOLO MARTINELLI EFFETTUATA A IF CRASC 2025.