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Tsunami e danni alle strutture. Quali sono i meccanismi di collasso?

Vediamo nel dettaglio come calcolare la massima forza causata dall’impatto di un corpo trasportato dal flusso del maremoto e quali sono i meccanismi di collasso di strutture soggette a tsunami.

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Tsunami Giappone - 2011

Il maremoto, detto anche tsunami, è un fenomeno naturale dovuto a movimenti sottomarini che determinano l’insorgere ed il propagarsi nel mare di onde che possono avere notevole altezza quando si avvicinano alla costa, comportando diffuse inondazioni, anche non solo limitate alle aree prossime alla riva.

Gli effetti sulla costruzione, sebbene variabili, possono essenzialmente essere ascrivibili a pressioni di impatto causate dal flusso in movimento, a forze concentrate dovute ai detriti da esso trasportati ed a spinte idrostatiche.

Vediamo nel dettaglio come calcolare la massima forza causata dall’impatto di un corpo trasportato dal flusso del maremoto e quali sono i meccanismi di collasso di strutture soggette a tsunami, così come spiegato nel volume “Valutazione della robustezza di sistemi strutturali e geotecnici”  degli autori Matteo Felitti e Francesco Oliveto, edito da Maggioli Editore.

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Calcolo della massima forza causata dall’impatto di un corpo trasportato dal maremoto

L’energia totale del fluido che impatta su una costruzione può essere ottenuta dall’espressione di Bernoulli, decresce con la distanza dalla costa secondo l’espressione di Manning, assegnando un opportuno coefficiente di rugosità (ASCE/SEI 7-16, 2016).

La distribuzione idrostatica (con andamento triangolare sull’altezza) della pressione dell’acqua è valutabile utilizzando le comuni formule dell’idraulica, mentre l’azione idrodinamica (avente distribuzione costante lungo l’altezza) può essere trasformata in forza statica equivalente totale prendendo in considerazione un coefficiente di forma secondo l’espressione (ASCE/SEI 7-16, 2016):

F=\frac{1}{2} ·ρ·υ²·C_d ·A

dove:

  • υ rappresenta la velocità del flusso;
  • A rappresenta l’area (bagnata) dell’ostacolo, misurata trasversalmente alla direzione del flusso;
  • ρ è la densità del flusso, al cui interno va considerato il contributo dovuto alla presenza dei detriti;
  • C_d è il coefficiente di forma, definito in funzione del rapporto tra le dimensioni della struttura. Un valore C_d= 2 può essere adottato in maniera cautelativa.

La massima forza causata dall’impatto di un corpo trasportato dal flusso del maremoto è valutabile come (FEMA P-646, 2012):

F = υ ∙\sqrt{k · m_d · (1 + c)}

dove:

  • K rappresenta il valore equivalente tra la rigidezza del detrito impattante K_d è la rigidezza laterale dell’elemento strutturale impattato K_s (valutata come 1/K = 1/K_d +1/K_s);
  • m_d è la massa del detrito trasportato dal flusso dello tsunami;
  • c è un coefficiente che prende in considerazione il fatto che il corpo impattante è trascinato dalla corrente. Per strutture molto rigide vale K = K_d. Per alcuni casi significativi, i valori dei parametri possono essere desunti dalla Tabella 1.
Tab.1_Parametri per la valutazione delle forze di impatto relativi ad alcune tipologie di detrito trasportato dal maremoto (FEMA P-646 2012) (il simbolo ’ indica 1 piede = 0.30 m)©Valutazione della robustezza di sistemi strutturali e geotecnici da Maggioli Editore.

Meccanismi di collasso di strutture soggette a tsunami

Tab.2_ Danni indotti da tsunami e meccanismi di collasso osservati GEJE (EEFIT, 2011)©Valutazione della robustezza di sistemi strutturali e geotecnici da Maggioli Editore.

Modelli di calcolo per la stima delle azioni da tsunami

L’analisi del collasso di elementi strutturali indotto dallo tsunami è difficile in quanto vi è una grande incertezza nella distribuzione spaziale e temporale dei carichi imposti dallo tsunami sugli edifici, nonché nella valutazione dell’entità di questi carichi.

Sono stati eseguiti diversi tentativi e sforzi per quantificare carichi e danni indotti dallo tsunami, che possono insorgere a causa:

  • di forze idrostatiche per pressione del fluido laterale, galleggiamento e peso dell’acqua sospesa;
  • effetti idrodinamici (impatto e forze di drag);
  • impatto e danni dai detriti trasportati.

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I modelli di calcolo

Tsunami Design Guidance in Japan: MLIT 2570 (2011)

Tali linee guida si basano su uno studio di Asakura et al. (2000) il quale ha condotto 84 esperimenti con modelli idraulici bidimensionali misurando le pressioni esercitate su strutture posizionate a varie distanze dal fondale per varie altezze d’onda, periodi e numeri di Froude. A seguito dello tsunami del 2011, nelle aree critiche dello tsunami è stato condotto uno studio nell’ambito della manutenzione degli standard 172 Parte Prima
di costruzione (Tokyo University e BRI 2011).

Linee guida di progetto per tsunami in USA: FEMA 646 (2012)

La Federal Emergency Management Agency con le FEMA 646 ha introdotto le linee guida per la progettazione di strutture per l’evacuazione verticale dagli tsunami (FEMA, 2008), fornendo indicazioni per il calcolo dei massimi carichi da tsunami sulle strutture per forze idrostatiche, idrodinamiche e impatto da detriti.

Linee guida di progetto per tsunami in USA: ASCE 7-16 (2016)

Viene adottato un approccio diverso per il calcolo delle forze di impatto.

Il treno d’onda è costituito da tsunami multipli e l’onda più grande spesso non è quella principale; ad esempio, quando la velocità dell’onda individuale supera la velocità del gruppo durante la propagazione profonda significa che la maggior parte dell’energia dello tsunami non è trasportata nelle onde principali, quindi è possibile che ci sia acqua stagnante a terra durante un’inondazione da tsunami.

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Valutazione della robustezza di sistemi strutturali e geotecnici

Valutazione della robustezza di sistemi strutturali e geotecnici

“Un testo che declina dettagliatamente un concetto che reputo alla base della progettazione strutturale” (Franco Bontempi).
“Nel volume non ci si limita ad introdurre in modo semplice la problematica, ma si guida il lettore alla comprensione della risposta strutturale agli eventi inattesi attraverso esempi concreti” (Ivo Caliò)

La robustezza di un sistema strutturale e geotecnico è intesa, sostanzialmente, come la capacità di prevenire o ridurre le conseguenze derivanti da un evento locale (eccezionale e/o estremo).

Il testo, suddiviso in due parti distinte per un’agevole consultazione, affronta con piglio autorevole e approccio operativo il tema – ancora oggi poco conosciuto – della valutazione del comportamento strutturale attraverso gli indici di robustezza.

Tra i molteplici aspetti trattati, il manuale analizza, in dettaglio, il fenomeno del collasso progressivo, le forme con cui può manifestarsi ed i relativi meccanismi di innesco e propagazione, proponendo, poi, esempi di interventi di retrofitting per ottimizzare la risposta strutturale.

Inoltre, vengono riportati, in maniera esaustiva, numerose applicazioni numeriche per la stima degli indici di robustezza, con particolare riferimento alle strutture esistenti in c.a., murature e opere geotecniche.

Tali casi studio, rappresentano utili strumenti operativi per lo strutturista che si occupa di tali tematiche.

Matteo Felitti
Titolare dello studio ENGINEERING & CONCRETE CONSULTING, si occupa principalmente di calcolo strutturale, dissesti statici nelle costruzioni esistenti, degrado dei materiali e risoluzione di contestazioni. Cultore di Scienza delle Costruzioni ICAR/08, docente Esterno di “Calcolo Automatico delle Strutture” presso l’Università degli Studi di Napoli Federico II.
Francesco Oliveto
Ingegnere specializzato nell’ambito strutturale e geotecnico. Collabora con Gruppo Sismica srl per la formazione e lo sviluppo di metodologie di calcolo di strutture in muratura e in c.a. in condizioni di danno pregresso e attuale ai fini della stima della capacità residua.

Gli Autori, in collaborazione con STACEC Srl, hanno sviluppato e implementato, nel software FaTA Next, alcuni modelli di degrado per la valutazione degli indicatori di rischio su strutture in calcestruzzo armato con danno inglobato. Tale argomento sarà oggetto di una prossima pubblicazione.

Leggi descrizione
Matteo Felitti, Francesco Oliveto, 2021, Maggioli Editore
59.00 € 56.05 €

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