Valutazione vulnerabilità sismica dei serbatoi di stoccaggio in termini di perdita di contenimento

La valutazione della vulnerabilità sismica dei serbatoi di stoccaggio rappresenta un tema cruciale nella gestione del rischio industriale. In presenza di eventi sismici, queste strutture possono subire danni tali da compromettere la loro capacità di contenimento. Ciò può comportare la fuoriuscita di sostanze pericolose, con conseguenze rilevanti per l’ambiente e la sicurezza pubblica. Analizzare il comportamento dei serbatoi sotto azione sismica consente di individuare criticità strutturali e migliorare le strategie di prevenzione. L’obiettivo è ridurre il rischio di incidenti e garantire maggiore resilienza degli impianti. Un approccio integrato permette inoltre di supportare la progettazione e l’adeguamento delle infrastrutture esistenti.

Vulnerabilità sismica dei serbatoi industriali: verso una valutazione avanzata del loss of containment

La sicurezza degli impianti industriali in presenza di eventi naturali estremi rappresenta oggi una delle sfide più rilevanti nell’ambito dell’ingegneria del rischio. Il contributo presentato da Alessio Bonelli ad ANIDIS 2025 si inserisce in questo contesto, proponendo un approccio strutturato alla valutazione della vulnerabilità sismica dei serbatoi di stoccaggio, con particolare attenzione al fenomeno del loss of containment, ovvero la perdita di contenuto che può innescare scenari incidentali anche di grande impatto.

Il tema si colloca all’interno della più ampia problematica degli eventi NaTech (Natural Hazard Triggering Technological Disasters), in cui un evento naturale – come un terremoto – genera conseguenze tecnologiche rilevanti. L’interazione tra pericolosità sismica e impianti industriali può infatti produrre incendi, esplosioni o rilasci di sostanze tossiche, come dimostrato da casi storici emblematici, tra cui il terremoto di Izmit del 1999. In questo scenario, l’evoluzione del tradizionale Quantitative Risk Assessment verso il Quantitative Seismic Risk Assessment rappresenta un passaggio fondamentale per integrare in modo esplicito la componente sismica nella valutazione del rischio industriale.

La presente relazione è stata presentata ad ANIDIS 2025 (Assisi, 7-11 settembre) e gli autori sono: Alessio Bonelli, Mariano Ciucci, Gianluca Quinci, Fabrizio Paolacci.

Meccanismi di danno e modellazione dei serbatoi

All’interno degli impianti di processo, i serbatoi di stoccaggio emergono come le apparecchiature più vulnerabili all’azione sismica. La loro criticità deriva sia dalla configurazione geometrica sia dalla natura delle sostanze contenute. In funzione del rapporto tra altezza e raggio, è possibile distinguere serbatoi “broad” e “slender”, caratterizzati da comportamenti dinamici differenti sotto sollecitazione sismica.

I principali meccanismi di danneggiamento individuati sono lo sliding (scorrimento alla base) e l’uplifting (sollevamento). Il primo interessa tipicamente i serbatoi a bassa snellezza, dove l’ampia superficie di appoggio favorisce fenomeni di scivolamento, mentre il secondo è più frequente nei serbatoi snelli, nei quali l’altezza prevalente induce sollevamenti locali del fondo. Entrambi i meccanismi possono generare effetti secondari rilevanti, tra cui la rottura delle tubazioni, l’apertura di flange, fenomeni di buckling del mantello e, nei casi più critici, l’innesco di incendi dovuti all’interazione tra tetti flottanti e vapori infiammabili.

Dal punto di vista modellistico, uno degli approcci più efficaci è rappresentato dal modello a masse concentrate (lumped mass model), che schematizza il comportamento del sistema fluido-struttura attraverso una componente impulsiva e una convettiva. La prima rappresenta la risposta solidale tra fluido e pareti del serbatoio, mentre la seconda descrive i fenomeni di sloshing. La distinzione tra i meccanismi di sliding e uplifting viene introdotta attraverso la modellazione del vincolo alla base, rispettivamente tramite leggi di attrito di tipo coulombiano e molle rotazionali con comportamento bilineare.

XX Convegno ANIDIS: focus su sicurezza sismica e vulnerabilità del costruito
Ad Assisi si è svolto il XX Convegno ANIDIS, principale appuntamento per la comunità dell’ingegneria sismica. Al centro del dibattito: vulnerabilità del costruito, tecniche di rinforzo, monitoraggio strutturale, nuovi materiali, strategie multi-hazard e politiche di riduzione del rischio. INGENIO segue l’evento con video e interviste ai protagonisti.
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Analisi di fragilità e definizione del danno

La quantificazione della vulnerabilità passa attraverso l’analisi di fragilità, uno strumento probabilistico in grado di correlare l’intensità dell’azione sismica con la probabilità di superamento di uno stato limite. In questo contesto, tre elementi risultano fondamentali: l’intensity measure, che descrive la severità del sisma; l’engineering demand parameter, che rappresenta la risposta del sistema; e il limit state, che definisce la soglia oltre la quale si verifica il danno.

Nel lavoro presentato, l’intensità sismica è espressa tramite l’accelerazione spettrale media, mentre il parametro di domanda è individuato negli spostamenti massimi del serbatoio. Particolarmente significativa è la definizione dello stato limite in termini di perdita di contenimento: il riferimento adottato è un valore di apertura di circa 0,6 mm nelle connessioni flangiate, derivato da studi sperimentali europei. Questo passaggio consente di collegare direttamente la risposta strutturale a una conseguenza impiantistica concreta, rendendo l’analisi più aderente alle reali condizioni operative.

Le curve di fragilità vengono quindi costruite mediante funzioni di distribuzione lognormali, calibrate attraverso regressione sui risultati delle analisi dinamiche. Questo approccio consente di ottenere una rappresentazione probabilistica del rischio, utile sia in fase progettuale sia nella gestione della sicurezza degli impianti esistenti.

Il caso studio: applicazione a un serbatoio industriale

L’applicazione metodologica è sviluppata su un serbatoio di grandi dimensioni, con diametro di circa 38 metri e altezza di 14 metri, riconducibile alla tipologia “broad”. In questo caso, il meccanismo dominante è lo sliding, modellato mediante un vincolo attritivo alla base. Le analisi sono state condotte utilizzando il software OpenSees, facendo riferimento alle indicazioni dell’Eurocodice 8 per la determinazione delle componenti impulsive e convettive.

Un aspetto particolarmente rilevante riguarda la selezione degli input sismici: sono stati utilizzati 300 accelerogrammi, suddivisi per diversi periodi di ritorno, rappresentativi dell’area siciliana di Priolo–Melilli. Questa ampia base dati ha consentito di esplorare in modo robusto la risposta del sistema al variare dell’intensità sismica.

I risultati mostrano come gli spostamenti massimi – dell’ordine di alcuni centimetri – possano tradursi in condizioni critiche per le connessioni impiantistiche, evidenziando il ruolo centrale delle interazioni tra serbatoio e tubazioni. L’analisi parametrica ha inoltre messo in luce l’influenza significativa di variabili quali il livello di riempimento e il coefficiente di attrito alla base, che modificano sensibilmente la probabilità di superamento dello stato limite.

Implicazioni e sviluppi futuri

Uno degli aspetti più interessanti emersi dallo studio riguarda il ruolo delle condizioni al contorno, in particolare della configurazione delle tubazioni. In presenza di condotte interrate, gli spostamenti relativi indotti dallo sliding possono generare elevate sollecitazioni e quindi un aumento del rischio di perdita di contenuto. Al contrario, sistemi più flessibili o esterni possono mitigare tali effetti, riducendo la vulnerabilità complessiva.

Il lavoro rappresenta un primo passo verso una caratterizzazione più completa del rischio sismico negli impianti industriali. Tra gli sviluppi futuri si evidenzia la necessità di affinare la definizione degli stati limite attraverso campagne sperimentali dedicate e di adottare modelli numerici più avanzati, in grado di cogliere con maggiore accuratezza le interazioni fluido-struttura, come quelli implementabili in ambienti di calcolo ad alta fedeltà.

In definitiva, l’approccio proposto contribuisce a colmare il divario tra analisi strutturale e sicurezza impiantistica, offrendo strumenti utili per una valutazione integrata del rischio. In un contesto in cui la resilienza delle infrastrutture industriali è sempre più centrale, studi come questo rappresentano un riferimento importante per la comunità tecnica e scientifica.

DI SEGUITO LA REGISTRAZIONE DELL'INTERVENTO DI ALESSIO BONELLI.

Il testo è stato elaborato mediante la trascrizione della videoregistrazione, con l'aiuto dell'IA.

IN SINTESI
-La vulnerabilità sismica dei serbatoi di stoccaggio è un fattore chiave nella gestione del rischio industriale.
-Eventi sismici possono compromettere l’integrità strutturale e causare perdita di contenimento.
-Le fuoriuscite di sostanze pericolose rappresentano un rischio per ambiente e sicurezza pubblica.
-L’analisi strutturale consente di individuare criticità e migliorare le strategie di prevenzione.
-Un approccio integrato supporta la progettazione di impianti più sicuri e resilienti.