Applicazione di un nuovo indice geologico-geotecnico per la valutazione del rischio multi-pericolo nelle infrastrutture lineari

Dal concetto di multi-hazard a un indice operativo per il risk assessment

La crescente complessità degli scenari di rischio cui sono esposte le infrastrutture strategiche impone oggi un cambio di paradigma nella valutazione della sicurezza. Non è più sufficiente considerare il singolo evento naturale, ma diventa necessario analizzare il multi-hazard, ovvero l’insieme di pericolosità primarie e secondarie che possono innescarsi a cascata a seguito di un evento principale. In questo contesto si inserisce il lavoro presentato da Nadia Salvatore (Università di Catania) in occasione di ANIDIS 2025 (Assisi, 7-11 dicmbre), sviluppato in collaborazione con l’Università di Chieti (prof. Pagliaroli e prof. Brando) e la Brigham Young University di Provo (prof. Rollins).

La ricerca propone un indice geologico-geotecnico in ottica di risk assessment multi-hazard, pensato per supportare la valutazione della vulnerabilità delle infrastrutture, in particolare ponti e viadotti, soggetti a terremoti e ai fenomeni da essi derivati. Nel caso specifico, l’hazard primario è il sisma, mentre le pericolosità secondarie considerate sono lo scuotimento sismico in superficie, la liquefazione e i fenomeni di frana e lateral spreading.

L’indice è strutturato su due livelli di analisi, concepiti per essere progressivi e complementari. Il livello 1 ha carattere preliminare ed è basato su informazioni bibliografiche, cartografiche e di rilievo sul campo: il suo obiettivo è identificare quali pericolosità insistono sull’area di studio e se esse siano potenzialmente rilevanti. Il livello 2, invece, introduce analisi avanzate di tipo quantitativo, come la risposta sismica locale e le verifiche di liquefazione mediante modelli semplificati, traducendo gli effetti fisici attesi in probabilità di danneggiamento per diversi stati limite (lieve, moderato, alto e severo/collasso).

Le probabilità associate ai singoli hazard vengono poi combinate attraverso una formulazione che tiene conto sia della somma degli effetti sia della sovrapposizione tra pericolosità, evitando sovrastime dovute a contributi doppiamente conteggiati. In questo modo l’indice restituisce una visione integrata e coerente del rischio.

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Il caso di studio: un viadotto in prossimità della Wasatch Fault (USA)

Per testare l’efficacia dell’indice, il metodo è stato applicato al Charlie Hill Interchange, un’infrastruttura situata circa 25 km a nord di Salt Lake City, nello Utah (USA). Il sito riveste un particolare interesse dal punto di vista sismotettonico, poiché si trova a soli 1,3 km dalla traccia superficiale della Wasatch Fault, una faglia attiva e capace, responsabile della deformazione tettonica dell’area.

Dal punto di vista geologico, il viadotto insiste su una spessa successione di depositi lacustri recenti, soffici e caratterizzati da una velocità delle onde di taglio (VS) dell’ordine di 200 m/s, sovrastanti sedimenti pre-lacustri più rigidi, con VS pari a circa 760 m/s. Considerata la profondità del bedrock geologico, questi ultimi sono stati assunti come bedrock sismico nelle analisi di risposta locale.

La struttura è costituita da un’impalcata continua in acciaio, appoggiata su spalle in cemento armato fondate su pali e su un’unica pila centrale ad archi, anch’essa su pali. Già in fase di progetto era stata riconosciuta la presenza di uno strato liquefacibile significativo, motivo per cui le fondazioni profonde erano state impostate al di sotto di tale livello.

Il passaggio al livello 2 di analisi ha previsto una Site Response Analysis non lineare 1D, basata su misure di VS reperite in letteratura e successivamente estese mediante una funzione di potenza. Sono stati selezionati quattro accelerogrammi naturali compatibili, per caratteristiche tettoniche e magnitudo, con lo scenario sismico dell’area e scalati a una PGA al bedrock corrispondente a un tempo di ritorno di 2475 anni.

I risultati hanno mostrato un comportamento particolarmente significativo: a causa della forte non linearità dei terreni soffici e della condizione di near field, si è osservato un marcato effetto di deamplificazione, con una riduzione della PGA da circa 0,6 g al bedrock a valori medi di circa 0,2 g in superficie. Questo dato è stato poi utilizzato come input per le analisi di liquefazione, condotte con metodi semplificati a partire da dati CPT e SPT disponibili in corrispondenza della spalla n. 2 del viadotto.

Le verifiche hanno evidenziato un fattore di sicurezza inferiore a 1 in un ampio intervallo di profondità, dalla quota di falda (circa 4 m) fino a circa 18 m, confermando un elevato potenziale di liquefazione, sintetizzato da un Liquefaction Potential Index (LPI) alto. La successiva valutazione dello spostamento laterale atteso ha portato a stimare un lateral displacement prossimo ai 3 m, valore estremamente critico per una struttura di questo tipo.

Fragilità strutturale, mitigazione e supporto alle decisioni

I risultati delle analisi geotecniche sono stati tradotti in termini di danno strutturale mediante l’utilizzo delle curve di fragilità sviluppate da Brandenberg e Tali (2011) per diverse tipologie di viadotti. Selezionata la tipologia più rappresentativa del Charlie Hill Interchange, sono state calcolate le probabilità di danneggiamento dovute sia allo scuotimento sismico (in funzione della PGA) sia allo spostamento orizzontale permanente (in funzione della PGD).

Nel caso del ground shaking, le probabilità di danno risultano contenute, coerentemente con l’effetto di deamplificazione osservato. Al contrario, lo spostamento laterale di circa 3 m risulta fuori scala rispetto alle curve di fragilità, portando a una probabilità pari a 1 per tutti i livelli di danneggiamento, incluso il collasso. Poiché il livello 1 aveva escluso la suscettibilità a frane, il contributo legato ai landslide è stato posto pari a zero.

L’applicazione dell’indice multi-hazard ha quindi restituito, per lo scenario pre-intervento, una probabilità del 100% di danneggiamento severo, dominata dall’effetto del lateral spreading indotto da liquefazione. Questo risultato ha trovato un riscontro particolarmente interessante nella storia reale del sito: circa vent’anni fa, il terreno al di sotto del ponte era stato oggetto di un intervento di miglioramento con 850 colonne di ghiaia, realizzate proprio nello strato precedentemente considerato liquefacibile.

Utilizzando i valori aggiornati di N1,60CS derivanti dalle SPT post-intervento (Ron Leins et al., 2012), le analisi di liquefazione sono state ripetute. L’esito è stato netto: LPI pari a zero, assenza di spostamenti laterali significativi e, di conseguenza, eliminazione del contributo più gravoso al danno. In questo nuovo scenario, l’hazard dominante diventa il solo scuotimento sismico, con probabilità di danno severo e alto nulle, danno moderato pari a 1 e danno lieve limitato a circa il 4%.

Le conclusioni dello studio evidenziano come l’indice proposto sia in grado non solo di identificare correttamente gli hazard rilevanti, ma anche di quantificarne l’impatto sul comportamento strutturale, mettendo in luce il ruolo chiave delle interazioni tra fenomeni. Il confronto tra la situazione ante e post intervento dimostra inoltre l’efficacia dello strumento nel supportare la prioritarizzazione degli interventi di mitigazione, fornendo indicazioni chiare su dove e come investire per aumentare il livello di sicurezza.

In sintesi, l’approccio multi-hazard sviluppato rappresenta un passo significativo verso una gestione più consapevole e integrata del rischio infrastrutturale, capace di tradurre la complessità geologica e geotecnica in informazioni operative utili per progettisti, gestori e decisori pubblici.

Testo elaborato tramite la videoregistrazione della relazione, con l'ausilio dell'IA.