Elementi non strutturali negli edifici strategici: calcolo dell’azione sismica e verifiche

Lo studio di analisi sugli elementi non strutturali negli edifici strategici proposto si compone di due parti: Aspetti normativi (Parte I) e Calcolo dell’azione sismica e verifiche (Parte II).

Nel presente lavoro, è mostrato un caso studio pratico di calcolo dell’input sismico ed esecuzione delle verifiche agli stati limite su una apparecchiatura elettro-medicale. Nel caso delle strutture strategiche, come ad esempio gli ospedali, la continuità operativa è strettamente legata alla funzionalità della rete di apparecchiature dell’area operativa a cui sono destinate.

Eseguire lo studio di vulnerabilità sismica sulle tecnologie di reparto è pertanto di primaria importanza. Come primo passo si definisce l’azione sismica sul macchinario; in seguito si eseguono le verifiche allo stato limite ultimo (SLU) e allo stato limite di esercizio (SLE) per garantire rispettivamente la stabilità e la funzionalità del dispositivo. Le verifiche sono svolte in accordo con quanto previsto da normativa. Tuttavia, poiché il vigente codice italiano NTC2018 non fornisce indicazioni sufficientemente dettagliate in merito all’esecuzione delle verifiche SLE, un nuovo metodo viene proposto.

L'attività degli edifici strategici non può interrompersi e la loro funzionalità deve essere sempre garantita

I recenti eventi di cronaca che hanno interessato da vicino la nostra nazione, testimoniano la necessità di disporre di un chiaro protocollo di design sismico da adoperare nel caso della progettazione e delle verifiche degli elementi non strutturali.

In uno studio di vulnerabilità sismica la valutazione degli elementi non strutturali deve essere considerata di equiparabile rilevanza rispetto a quella degli elementi strutturali, sebbene l’attualità ci dimostra che in alcuni casi possa risultare addirittura maggiore. Gli edifici di interesse strategico sono definiti come strutture la cui funzionalità deve risultare ininterrotta e pertanto garantita in ogni evenienza. La continuità operativa dell’edificio oltre a dover essere garantita in condizioni ordinarie, è richiesta in particolar modo nelle situazioni emergenziali in cui scenari di calamità naturali o atti terroristici possono verificarsi (Chiaia, 2019).

Negli edifici strategici, essendo essi dedicati a specifiche funzioni di protezione civile e salvaguardia della vita (caserme, basi operative, ospedali) si opera mediante l’ausilio di apparecchiature di non ordinario impiego in grado di eseguire funzioni specifiche e legate al settore di utilizzo. Tali apparecchiature, data la loro settorialità e il singolare disegno, oltre a rappresentare un cospicuo investimento economico sono da intendersi un elemento chiave per la corretta attività dell’area operativa.

Per tale motivo, la perdita di una unità può significare una importante perdita non solo in termini economici ma anche in termini di efficienza; il loro mancato funzionamento può influenzare negativamente la funzionalità di un intero segmento operativo sino a determinarne nei casi peggiori la completa paralisi (Cimellaro 2010, Parise 2013).

Nel caso specifico di una struttura ospedaliera, le aree di primo soccorso come il dipartimento di emergenza e accettazione D.E.A. ricoprono un ruolo fondamentale nella catena emergenziale (Reggio, 2013). In tal senso, in queste aree nevralgiche, devono assicurarsi le performance degli elementi non strutturali a stato limite ultimo (SLU) e stato limite di esercizio (SLE) al fine di garantirne rispettivamente stabilità e funzionalità durante e post-evento sismico.

Nel presente studio di analisi è presentato il procedimento di calcolo completo svolto nel caso di una apparecchiatura elettro-medicale, operante nel reparto di primo soccorso. Le analisi sono svolte in accordo con le disposizioni previste dal codice normativo italiano NTC2018.

Lo scopo del lavoro è duplice, in primo luogo si vuole proporzionare un esempio pratico e completo che possa servire da guida per la pratica professionale per le figure che si interfacciano al medesimo campo di analisi. In secondo luogo si propone una metodologia, il cui approccio è basato sul concetto di resilienza (Reggio, 2022), per portare a termine la parte delle verifiche SLE. Tale aspetto, infatti, risulta nel vigente codice normativo per certi aspetti lacunoso in termini di disposizioni metodologiche.

Elementi non strutturali negli edifici strategici: aspetti normativi
Nella prima parte dell'articolo venivano chiarite quali sono le due possibili strade da seguire per la determinazione dell’input sismico su un elemento non-strutturale, i punti di forza e gli svantaggi in entrambi i procedimenti.
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Specifiche del caso studio

L’oggetto del caso studio è il dispositivo di tomografia assiale computerizzata (acronimo) TAC, una apparecchiatura elettro-medicale in grado di effettuare esami di diagnostica per immagini di qualsiasi sezione del corpo umano. La TAC si utilizza in molti ambiti medici, da quello neurologico a quello traumatologico, oncologico, ginecologico e cardiologico. Di seguito viene sintetizzata una breve descrizione. 

La TAC si compone di due elementi: 

• portale;
• lettino del paziente. 

Il portale è la zona in cui è allocato il tubo radiogeno, l’elemento che emette i raggi X e che ruota attorno al paziente consentendo, così, di ottenere immagini tridimensionali. Il lettino del paziente è una piattaforma di dimensioni simili a quelle di un letto ospedaliero che ha la capacità di scorrere all’interno del portale per consentire la scansione di qualsiasi sezione del corpo (Figura 1, Figura 2).

Figura 1: Tomografo assiale computerizzato TAC composto da portale e lettino del paziente. (Fonte: ANSA)

Figura 2: Tomografo assiale computerizzato TAC in configurazione di utilizzo (Fonte: Istituto Superiore di Sanità ISS)

Entrambe le componenti sono solidali con il terreno; il sistema fissaggio è realizzato mediante piastre e layout di bulloni in metallo che ne assicurano la stabilità rispetto ad azioni taglianti e di ribaltamento ed estrazione.

Nella presente analisi, a titolo di esempio, si analizzerà la prima tra le due componenti, il portale. Per la modellazione si considererà il portale un corpo rigido supponendo che la distribuzione della massa sia costante in ogni suo punto. Al seguito si riassumono brevemente le specifiche relative alla geometrie e sistema di ancoraggio del pezzo:

• massa: 1770 Kg;
• ingombro in pianta: 2057 x 1018 mm;
• coordinate baricentro: (x_G) 878 mm (y_G) 315 mm (z_G) 1015 mm.

I valori delle coordinate del baricentro x_G e y_G sono calcolati rispetto alle sezioni di vincolo dell’apparecchiatura e dunque rappresentano rispettivamente la distanza tra il baricentro e i bulloni nella direzione x, e la distanza tra il baricentro e i bulloni nella direzione y; poiché la disposizione dei bulloni è simmetrica rispetto al baricentro viene indicata una sola distanza. Il valore della coordinata z_G rappresenta invece la distanza del baricentro dal piano di ancoraggio.

Calcolo dell'input sismico

La domanda sismica sugli elementi non strutturali può essere determinata applicando loro una forza orizzontale F_a [7.2.1] la cui formulazione è suggerita da normativa (NTC2018). La forza sismica equivalente viene applicata nel centro di gravità del corpo oppure in forma distribuita su tutta la sua superficie.

F_a=(S_a∙W_a)/q_a                                                                                 (1)

dove: 

• S_a  è l’accelerazione massima percepita dall’elemento;
• W_a è il peso dell’elemento; 
• q_a   è il fattore di comportamento dell’elemento.

Si analizzano di seguito i termini della formulazione.

Fattore di comportamento dell’elemento q_a

La normativa permette di modulare la forza sismica sull’elemento attraverso il fattore di comportamento di F_a [7.2.1]. Come indicato nella norma i due possibili valori del parametro q_a sono pari a 1 se l’elemento rientra nel gruppo 1 (parapetti, comignoli, serbatoi etc) o 2 nel caso l’elemento sia invece parte del gruppo 2 (pareti interne, tramezzature, facciate etc). 

Quando non si conosce il gruppo di appartenenza dell’elemento e non si dispone di altri documenti di comprovata validità in cui ricercarne il valore, come nel caso in questione, occorre procedere con raziocinio. Essendo il parametro q_aposto a denominatore nella formula, in base all’importanza che l’elemento assume nel contesto di applicazione e alle condizioni al contorno del problema, si decreterà se sia opportuno dimezzare la forza sismica a cui è sottoposto oppure mantenerla invariata. 

Nel caso in analisi, a favore di sicurezza, si considera il fattore di comportamento q_a equivalente ad 1.

Accelerazione massima subita dall’elemento S_a

Il valore di S_a equivale all’accelerazione massima adimensionalizzata rispetto a quella di gravità, che l’elemento non strutturale subisce durante il sisma e corrisponde allo stato limite in esame. Il calcolo per la stima di S_a è fatto mediante il Metodo degli spettri di risposta di piano C7.2.3. presentato di seguito al paragrafo 3.1

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