La vulnerabilità sismica di strutture e impianti in stabilimenti industriali a rischio di incidente rilevante

Il rischio sismico negli stabilimenti a rischio di incidente rilevante è molto importante per l’analisi di rischio che il Gestore deve effettuare al fine di verificare la risposta alla sollecitazione sismica di strutture, componenti e impianti di stabilimento. Il presente lavoro fornisce alcune indicazioni sull’iter metodologico previsto dalla normativa ed esamina alcune tecnologie che il gestore può adottare per contenere le conseguenze incidentali in caso di sollecitazioni sismiche.

Stabilimento a rischio di incidente rilevante e rischio sismico

Che cosa è uno "stabilimento a rischio di incidente rilevante"

Il decreto legislativo n. 105 del 26 giugno 2015 definisce “stabilimento a rischio di incidente rilevante” uno stabilimento nel quale sono presenti sostanze pericolose all’interno di uno o più impianti, comprese le infrastrutture o le attività comuni o connesse, che può essere di soglia inferiore o di soglia superiore, a seconda del quantitativo di sostanze pericolose detenuto, e nel quale può verificarsi un incidente rilevante ossia un evento quale un’emissione, un incendio o un’esplosione di grande entità, dovuto a sviluppi incontrollati che si verifichino durante l’attività e che dia luogo a un pericolo grave, immediato o differito, per la salute umana o l’ambiente, all’interno o all’esterno dello stabilimento, e in cui intervengano una o più sostanze pericolose.

L’allegato C, Parte I, punto C.7 “Criteri progettuali e costruttivi” del D.Lgs. 105/2015 [1] prende in considerazione gli standard di sicurezza adottati e i criteri di dimensionamento di strutture, sistemi e componenti dello stabilimento che il gestore deve adottare per garantire la sicurezza in caso di eventi sismici. 

A tal fine, per fronteggiare le sollecitazioni di natura sismica, sia nella progettazione di nuovi stabilimenti che nella valutazione del rischio di quelli esistenti, è necessario che il gestore effettui una verifica sismica degli impianti e delle strutture e, in relazione agli esiti della stessa valuti, per le diverse parti di impianto, la fattibilità di opere di adeguamento.

Le difficoltà maggiori si incontrano nella messa in opera di interventi volti a migliorare la risposta alla sollecitazione sismica di edifici o strutture esistenti. Infatti, spesso è necessario adeguare l’intervento alla realtà presente, per evitare interferenze con impianti esistenti, come tubazioni che trasportano sostanze diverse, mancanza di punti di ancoraggio o altri vincoli di diversa natura che possono rendere anche molto complesso l’intervento di adeguamento alla normativa. Oltre gli edifici, bisogna considerare gli impianti, anche a rilevante sviluppo verticale, come serbatoi, colonne di disidratazione, vent, ecc… che, come gli edifici, oltre ad essere soggetti alle sollecitazioni sismiche, possono subire l’azione del vento e degli scenari incidentali ragionevolmente prevedibili valutati nell’analisi di rischio contenuta nel rapporto di sicurezza. Quindi, tenendo conto di tutti questi effetti, è necessario implementare una protezione “calibrata” sulla massima sollecitazione combinata. Negli ultimi anni, inoltre, anche a causa dei cambiamenti climatici, si stanno verificando fenomeni climatici impulsivi di breve durata quali, ad esempio, trombe d’aria e nubifragi che spesso provocano danno consistenti e diffusi a tutto ciò che insiste nel territorio colpito e pertanto il Gestore ne dovrà tenere conto nella stesura del Rapporto di Sicurezza. 

Come anticipato, la protezione delle strutture deve tener conto anche delle conseguenze degli scenari incidentali ragionevolmente prevedibili.

Infatti, in molti casi, dall’analisi di rischio, emerge che gli edifici, le strutture o gli impianti da proteggere ricadono all’interno delle aree delle conseguenze incidentali diventando un elemento “bersaglio” dello scenario che può – come, ad esempio, nel caso di “jet-fire” generato dall’innesco di un rilascio di gas da una tubazione - presentare consistenti valori di irraggiamento termico che agiscono sulle strutture e sugli interventi di adeguamento sismico, potendo anche inibire la funzione per la quale essi sono stati progettati e messi in opera.

Pertanto, una soluzione combinata per la protezione di edifici, strutture e impianti, tiene conto delle diverse sollecitazioni agenti, in modo da garantire una risposta efficace sia in termini di evacuazione protetta degli occupanti sia di mantenimento della funzionalità dei sistemi di blocco ed emergenza per la messa in sicurezza delle apparecchiature critiche di stabilimento. Infatti, la necessità è che i sistemi di sicurezza di stabilimento continuino a funzionare, sia in caso di sollecitazione sismica, che nel caso di esposizione alle conseguenze provocate dal sisma come, appunto, la rottura di una tubazione con un conseguente rilascio di una sostanza pericolosa, incidente rilevante che può avere conseguenze importanti per la popolazione e per l’ambiente nell’intorno dello stabilimento. A titolo di esempio, un incidente con rilascio di una sostanza infiammabile e successiva presenza di un innesco, produce un irraggiamento che provoca il riscaldamento di altre parti di impianto le quali potrebbero cedere e favorire la propagazione dello scenario incidentale, con conseguenze anche molto gravi.

Oltre agli aspetti strutturali la verifica comprende, quindi, anche la descrizione delle procedure di attivazione dei sistemi di blocco di sicurezza delle unità di stabilimento in presenza di un’anomalia del processo, di un incendio o di sollecitazione sismica.

Con riferimento, ad esempio, ad uno stabilimento di trattamento e compressione di gas naturale, i sistemi di blocco possono essere:

• locali, con il conseguente blocco e messa in sicurezza dell’unità che origina l’emergenza;
• di processo, con il conseguente blocco delle aree di impianto interessate dall’evento;
• di emergenza, attraverso la chiusura delle valvole di sezionamento impianto (Shut Down Valve, SDV) e l’apertura delle valvole di blow-down (Blow Down Valve, BDV) con la conseguente depressurizzazione della parte d’impianto interessata attraverso circuiti gas progettati a tale scopo.

È possibile suddividere le logiche di blocco in quattro livelli, in ordine di importanza:

• ESD: blocco di emergenza (con vent a blow-down dell’area interessata);
• PSD: blocco di processo (senza vent);
• USD: blocco di unità (senza vent);
• LSD: blocco locale (senza vent).

i blocchi di livello superiore attivano in cascata i blocchi di livello inferiore.

Naturalmente la tipologia dei blocchi e le conseguenti logiche di intervento per la messa in sicurezza degli impianti possono variare da stabilimento a stabilimento, in funzione sia dell’età di costruzione degli impianti che ne denota il livello tecnologico, sia della filosofia adottata per la progettazione. In molti casi di impianti costruiti nella seconda metà del secolo scorso, infatti, si riscontra che i sistemi USD e LSD sopra descritti sono inglobati nel sistema PSD.

Valutazione della vulnerabilità sismica

L’analisi di rischio deve comprendere la verifica sismica costituita da un dettagliato esame effettuato da un professionista abilitato contenente: una relazione di calcolo corredata di elaborati planimetrici riportanti le principali caratteristiche ed i coefficienti di sicurezza di strutture, impianti, edifici nonché un piano di adeguamento con relativo cronoprogramma per le strutture e gli impianti che non soddisfino la verifica e che pertanto devono essere adeguati. Dovranno essere individuati gli interventi di riparazione locale, miglioramento o adeguamento a seconda dei casi previsti dalle norme vigenti sulle costruzioni.

Per effettuare l’analisi sismica delle strutture o impianti esistenti, è necessario verificare in via preliminare se il sito di installazione sia già stato classificato dal punto di vista sismico ai sensi della legge n. 64 del 02/02/1974 [2] e dei relativi decreti ministeriali di classificazione regionale, prima della nuova riclassificazione sismica del territorio nazionale, eseguita in attuazione dell’Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3274 del 20 marzo 2003 [3]. 

Per le strutture e gli impianti costruiti e installati prima del 2003 in zone precedentemente non classificate sismiche è necessario eseguire le relative verifiche secondo la normativa sismica vigente. Attualmente la normativa sismica di riferimento in Italia è definita dal decreto ministeriale del 17 gennaio 2018, in vigore dal 22 marzo 2018, Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC 2018) [7].

La Circolare n. 7 del 21 gennaio 2019 del Consiglio superiore dei Lavori pubblici [8] ha lo scopo di fornire agli operatori del settore, ed in particolare ai progettisti, opportuni chiarimenti, indicazioni ed elementi informativi per una più agevole ed univoca applicazione delle NTC 2018. Tali norme definiscono i principi per il progetto, l’esecuzione e il collaudo delle costruzioni, nei riguardi delle prestazioni richieste in termini di requisiti essenziali di resistenza meccanica e stabilità, anche in caso di incendio, e di durabilità; forniscono i criteri generali di sicurezza, le azioni che devono essere utilizzate nel progetto, definiscono le caratteristiche di materiali e prodotti e la sicurezza strutturale delle opere.

Le NTC 2018 si riferiscono alle costruzioni intese come opere di ingegneria civile (fabbricati, strutture portanti e relative fondazioni) e non alle apparecchiature di processo generalmente esistenti negli stabilimenti a Rischio di Incidente Rilevante. Tuttavia, per quanto non diversamente specificato, le NTC sono ad esse applicabili e consentono anche l’utilizzo di normative di comprovata validità e di altri documenti tecnici, quali:

• eurocodici strutturali pubblicati dal CEN, con le precisazioni riportate nelle Appendici Nazionali;
• norme UNI EN armonizzate i cui riferimenti siano pubblicati su Gazzetta Ufficiale dell’Unione Europea;
• norme per prove su materiali e prodotti pubblicate da UNI.

Inoltre, a integrazione delle norme e per quanto con esse non in contrasto, possono essere utilizzati riferimenti di comprovata validità quali:

• istruzioni del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici;
• linee guida del Servizio Tecnico Centrale del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici;
• linee guida per la valutazione e riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale e successive modificazioni del Ministero per i Beni e le Attività Culturali, previo parere del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici sul documento stesso;
• istruzioni e documenti tecnici del Consiglio Nazionale delle Ricerche (C.N.R.).

Sono ammessi anche altri codici internazionali, purché il progettista garantisca livelli di sicurezza coerenti con quelli individuati dalle NTC 2018.

Le norme tecniche per le costruzioni non contengono prescrizioni di dettaglio per parti di impianto come, ad esempio, tubazioni e sistemi di tubazioni per il trasporto e la distribuzione del gas o altri fluidi pericolosi, ma al punto 7.2.4 “Criteri di progettazione degli impianti” richiedono le seguenti prestazioni: “Deve essere limitato il rischio di fuoriuscite incontrollate di gas o fluidi, particolarmente in prossimità di utenze elettriche e materiali infiammabili, anche mediante l’utilizzo di dispositivi di interruzione automatica della distribuzione. I tubi per la fornitura di gas o fluidi, al passaggio dal terreno alla costruzione, devono essere progettati per sopportare senza rotture i massimi spostamenti relativi costruzione-terreno dovuti all’azione sismica corrispondente a ciascuno degli stati limite considerati.”

Per vulnerabilità sismica si intende, in sostanza, la valutazione della possibilità che persone, edifici o attività subiscano danni o modificazioni al verificarsi di un evento sismico. Essa, pertanto, stabilisce la misura della perdita o riduzione di efficienza e la capacità residua della struttura, impianto o apparecchiatura a svolgere e assicurare le funzioni che esercita in condizioni normali. Ad esempio, nel caso degli edifici, la vulnerabilità dipende dai materiali, dalle caratteristiche costruttive e dallo stato di manutenzione. In termini tecnici, la norma stabilisce un livello di sicurezza definito come il rapporto tra l’azione sismica massima sopportabile dalla struttura e l’azione sismica massima che si utilizzerebbe nel progetto di una nuova costruzione sul medesimo suolo e con le medesime caratteristiche.

Secondo le NTC, un parametro importante da considerare nella verifica sismica è l’attribuzione della Classe d’Uso alle strutture e agli edifici dello stabilimento. In presenza di azioni sismiche, con riferimento alle conseguenze di una interruzione di operatività o a un eventuale collasso, le costruzioni sono suddivise in classi d’uso così definite:

• classe I: costruzioni con presenza solo occasionale di persone, edifici agricoli;
• classe II: costruzioni il cui uso preveda normali affollamenti, senza contenuti pericolosi per l’ambiente e senza funzioni pubbliche e speciali essenziali. Industrie con attività non pericolose per l’ambiente. Ponti, opere infrastrutturali, reti viarie non ricadenti in Classe d’uso III o in Classe d’uso IV, reti ferroviarie la cui interruzione non provochi situazioni di emergenza. Dighe il cui collasso non provochi conseguenze rilevanti.
• classe III: Costruzioni il cui uso prevede affollamenti significativi. Industrie con attività pericolose per l’ambiente. Reti viarie extraurbane non ricadenti in classe d’uso IV. Ponti e reti ferroviarie la cui interruzione provochi situazioni di emergenza. Dighe rilevanti per le conseguenze di un loro eventuale collasso.
• classe IV: Costruzioni con funzioni pubbliche o strategiche importanti, anche con riferimento alla gestione della protezione civile in caso di calamità. Industrie con attività particolarmente pericolose per l’ambiente. Reti viarie di tipo A o B, di cui al D.M. 5 novembre 2001 n. 6792, “Norme funzionali e geometriche per la costruzione delle strade”, e di tipo C quando appartenenti ad itinerari di collegamento tra capoluoghi di provincia non altresì serviti da strade di tipo A o B. Ponti e reti ferroviarie di importanza critica per il mantenimento delle vie di comunicazione, particolarmente dopo un evento sismico. Dighe connesse al funzionamento di acquedotti e a impianti di produzione di energia elettrica.

Il decreto della Presidenza del Consiglio dei Ministri, Dipartimento della Protezione Civile n. 3685 del 21 ottobre 2003, di attuazione dell’Ordinanza n. 3274 del 20 marzo 2003 [4], descrive le categorie di edifici ed opere infrastrutturali che possono assumere rilevanza in relazione alle conseguenze di un eventuale collasso. All’Allegato 1, Elenco B, punto 1.2 cita le “strutture il cui collasso può comportare gravi conseguenze in termini di danni ambientali (quali ad esempio impianti a rischio di incidente rilevante ai sensi del decreto legislativo 17 agosto 1999, n. 334, e successive modifiche ed integrazioni (…))” ossia proprio gli stabilimenti a rischio di incidente rilevante che, in caso di sisma, possono provocare gravi conseguenze e quindi assumono importanza per le finalità di protezione civile da adottare per fronteggiare le conseguenze sull’ambiente e sulla pubblica incolumità. Quindi l’azione del legislatore è volta a garantire l’operatività delle infrastrutture strategiche, ossia tutti quegli impianti che in caso di terremoto, devono subire danni limitati tali da non provocare interruzioni d’uso significative, in modo da consentire al Servizio nazionale di protezione civile di assicurare alle popolazioni coinvolte la salvaguardia della vita e dei beni nel post-evento ed un rapido ritorno alla normalità [13, 15]. Gli stabilimenti a rischio di incidente rilevante, proprio per le conseguenze “esterne” che possono avere in caso di incidente rilevante, ossia per l’impatto all’esterno del proprio sedime sono analogamente attenzionati. Tali stabilimenti sono quindi da considerarsi rientranti almeno nella Classe d’uso III o IV, in funzione delle risultanze dell’analisi di rischio contenuta nel Rapporto di Sicurezza, in termini di conseguenze sul territorio.

Secondo le NTC 2018, l’attribuzione di una diversa classe d’uso ha una diretta conseguenza nella determinazione del valore del periodo di riferimento V_R, valore su cui sono valutate le azioni sismiche sulle strutture, secondo l’equazione:

V_R=V_N·C_U

dove:

V_N: Vita nominale di progetto;

C_U: Coefficiente d’uso;

Il valore del coefficiente d’uso dipende dalla classe d’uso, come mostrato dalla tabella 2.4 II delle NTC:

La vita nominale di progetto VN di un’opera è convenzionalmente definita come il numero di anni nel quale è previsto che l’opera, purché ispezionata e manutenuta come previsto nel progetto, manterrà i livelli prestazionali e svolgerà le funzioni per le quali è stata progettata. 

I valori minimi di VN per diversi tipi di opere risultano:

Per le costruzioni a servizio di attività a rischio di incidente rilevante si adotteranno valori di CU anche superiori a 2, in relazione, come detto, alle conseguenze sull'ambiente e sulla pubblica incolumità determinate dal raggiungimento degli stati limite definiti dalle NTC. In particolare, è necessario adottare:

• C_U > 2 per attività a rischio di incidente rilevante per le quali risultano essere presenti scenari incidentali con impatto all’esterno dell’attività stessa (sezione L dell’allegato 5 al D. Lgs 105/2015). In attesa di più specifiche successive indicazioni normative è possibile assumere cautelativamente CU= 2,5.
• C_U = 2 per tutti gli altri casi e quindi per scenari contenuti all’interno dello stabilimento.

Tale valore, superiore a 2, si intende riferito ad attività, quali quelle a rischio di incidente rilevante, che per il loro elevato contenuto tecnologico sono soggette a frequenti aggiornamenti e rinnovamenti costruttivi tali da determinare una vita nominale delle strutture tipicamente non maggiore di 50 anni.

Alla luce delle conclusioni delle verifiche sismiche, qualora parti di impianto non risultino adeguate alle normative in vigore, il gestore, in fase di istruttoria per la valutazione del Rapporto di Sicurezza, dovrà presentare al Comitato Tecnico Regionale dei Vigili del Fuoco apposito piano di adeguamento contenente il cronoprogramma dei lavori da effettuare in tutto il periodo nonché l’indicazione dell’adozione di eventuali interventi immediati atti a rendere sicuro lo stabilimento in caso di sisma.

Ad esempio, tra gli interventi di messa in sicurezza, il gestore può prevedere l’installazione di opportuni sensori (es. accelerometri,) nelle aree di stabilimento che possano, al superamento di un determinato valore di accelerazione al suolo calcolato nella verifica sismica effettuata, attivare i sistemi di blocco di sicurezza di stabilimento sopra descritti mettendo in sicurezza nel più breve tempo possibile.

Effettuate le verifiche sismiche, qualora strutture e/o impianti risultassero non adeguati, nelle more del completamento degli interventi di adeguamento, il Gestore dovrà procedere alla valutazione dei rischi con l’individuazione dei possibili scenari incidentali credibili e delle relative aree di danno generate dalle sollecitazioni sismiche che potrebbero essere più estese di quelle preesistenti, valutate senza l’analisi di vulnerabilità sismica. Nel caso fossero più estese è necessaria la rivalutazione della compatibilità territoriale dello stabilimento.

Componenti di stabilimento potenzialmente vulnerabili

Le strutture da sottoporre a verifica sismica sono quelle che, in caso di evento sismico, potrebbero generare uno scenario incidentale per rilascio incontrollato di sostanze pericolose, ovvero impianti essenziali ai fini dell’emergenza il cui funzionamento potrebbe essere precluso dallo scenario come nel caso di:

• apparecchiature di processo, serbatoi e sistemi di tubazioni contenenti o convoglianti sostanze pericolose di cui al D.Lgs. 105/2015;
• apparecchiature di processo, serbatoi e sistemi di tubazioni non contenenti sostanze pericolose ma il cui danneggiamento può innescare uno scenario incidentale nel contesto ambientale circostante;
• strutture di supporto delle opere di cui ai punti precedenti quali racks, fondazioni, ecc..;
• fabbricati o magazzini entro cui si lavorano o detengono sostanze pericolose;
• impianti essenziali ai fini dell’emergenza (impianti di protezione esterna e interna antincendio di stabilimento, impianti di rivelazione e allarme incendio, impianti fissi automatici di estinzione, impianto di illuminazione di sicurezza, ecc..) [15];
• sale controllo locali di stabilimento, fondamentali ai fini della gestione della sicurezza;
• eventuali sale controllo remote, dislocate in strutture centralizzate preposte alla sorveglianza e al controllo in grado di gestire tutti gli stabilimenti di una stessa società dislocati sul territorio nazionale.

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